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No passado, os astrônomos só podiam ver o céu em luz visível, usando seus olhos como receptores. Mas e se você tivesse olhos de gravidade? Einstein previu que os objetos e eventos mais extremos do Universo deveriam gerar ondas de gravidade e distorcer o espaço ao seu redor. Um novo experimento, chamado Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (ou LIGO), poderia fazer a primeira detecção dessas ondas gravitacionais.
Ouça a entrevista: Vendo com olhos de gravidade (7,9 MB)
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Fraser Cain: Tudo bem, então o que é uma onda de gravidade?
Dr. Sam Waldman: Portanto, uma onda de gravidade pode ser explicada se você se lembrar que a massa distorce o espaço-tempo. Portanto, se você se lembra da analogia de um lençol esticado com uma bola de boliche lançada no meio do lençol, dobrando-o; onde a bola de boliche é uma massa e o lençol representa o espaço-tempo. Se você mover a bola de boliche para frente e para trás muito rapidamente, fará ondulações no lençol. O mesmo se aplica às massas em nosso universo. Se você mover uma estrela para frente e para trás muito rapidamente, fará ondulações no espaço-tempo. E essas ondulações no espaço-tempo são observáveis. Nós os chamamos de ondas de gravidade.
Fraser: Agora, se eu estiver andando pela sala, isso causará ondas de gravidade?
Dr. Waldman: Bem, será. Tanto quanto sabemos, a gravidade funciona em todas as escalas e para todas as massas, mas o espaço-tempo é muito rígido. Então, algo como meu eu de 200 libras se movendo pelo meu escritório não causará ondas de gravidade. O que é necessário são objetos extremamente grandes que se movem muito rapidamente. Então, quando procuramos detectar ondas de gravidade, procuramos objetos em escala de massa solar. Em particular, procuramos estrelas de nêutrons, que estão entre 1,5 e 3 massas solares. Procuramos buracos negros, até várias centenas de massas solares. E procuramos que esses objetos estejam se movendo muito rapidamente. Então, quando falamos de uma estrela de nêutrons, estamos falando de uma estrela de nêutrons se movendo quase à velocidade da luz. De fato, tem que estar vibrando na velocidade da luz, não pode estar apenas se movendo, tem que estar tremendo para frente e para trás muito rapidamente. Então, eles são sistemas cataclísmicos muito grandes e únicos que estamos procurando.
Fraser: As ondas gravitacionais são puramente teóricas, certo? Eles foram previstos por Einstein, mas ainda não foram vistos?
Dr. Waldman: Eles não foram observados, foram inferidos. Existe um sistema pulsar cuja frequência está girando para baixo a uma taxa consistente com a emissão de ondas de gravidade. Isso é PSR 1913 + 16. E que a órbita desta estrela está mudando. Isso é uma inferência, mas é claro, isso não é uma observação diretamente das ondas gravitacionais. No entanto, é bastante claro que eles precisam existir. Se as leis de Einstein existem, se a Relatividade Geral funciona, e funciona muito bem em muitas escalas de comprimento, também existem ondas de gravidade. Eles são muito difíceis de ver.
Fraser: O que é preciso para detectá-los? Parece que são eventos muito cataclísmicos. Grandes buracos negros e estrelas de nêutrons se movendo, por que eles são tão difíceis de encontrar?
Dr. Waldman: Existem dois componentes para isso. Uma coisa é que os buracos negros não colidem o tempo todo, e as estrelas de nêutrons não tremem em nenhum lugar antigo. Portanto, o número de eventos que podem causar ondas de gravidade observáveis é realmente muito pequeno. Agora falamos, por exemplo, da galáxia da Via Láctea, com um evento ocorrendo a cada 30-50 anos.
Mas a outra parte dessa equação é que as próprias ondas de gravidade são muito pequenas. Então eles introduzem o que chamamos de tensão; essa é uma alteração de comprimento por unidade de comprimento. Por exemplo, se eu tiver um critério de um metro de comprimento e uma onda de gravidade esmagar esse critério à medida que ele passar. Mas o nível em que ele vai esmagar o critério é extremamente pequeno. Se eu tiver um critério de 1 metro, isso apenas induzirá uma alteração de 10e-21 metros. Portanto, é uma mudança muito pequena. Obviamente, observar 10e-21 metros é onde o grande desafio está em observar uma onda de gravidade.
Fraser: Se você estivesse medindo o comprimento de um critério com outro critério, o comprimento desse outro critério seria alterado. Percebo que isso é difícil de fazer.
Dr. Waldman: Exatamente, então você tem um problema. A maneira como resolvemos o problema do critério é que, na verdade, temos 2 critérios e os transformamos em L. E a maneira como os medimos é usar um laser. E a maneira como organizamos nosso critério é, na verdade, um "L" de 4 km de comprimento. Existem 2 braços, cada um com 4 km de comprimento. E no final de cada braço, há uma massa de teste de quartzo de 4 kg da qual retiramos lasers. E quando uma onda de gravidade passa por esse detector em forma de "L", ela estica uma perna enquanto encolhe a outra perna. E faz isso em, digamos, 100 hertz, dentro de frequências de áudio. Portanto, se você ouvir o movimento dessas massas, ouvirá um zumbido a 100 hertz. E assim, o que medimos com nossos lasers é o comprimento diferencial do braço desse grande interferômetro em forma de “L”. Por isso é o LIGO. É o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser.
Fraser: vamos ver se entendi direito. Há bilhões de anos, um buraco negro colide com outro e gera um monte de ondas de gravidade. Essas ondas de gravidade atravessam o Universo e passam pela Terra. À medida que passam pela Terra, eles estão alongando um desses braços e encolhendo o outro, e você pode detectar essa alteração com o laser balançando para frente e para trás.
Dr. Waldman: Isso mesmo. O desafio, é claro, é que essa mudança de comprimento seja extremamente pequena. No caso dos nossos interferômetros de 4 km, a mudança de comprimento que medimos agora é de 10 a 19 metros. E para colocar uma escala nisso, o diâmetro de um núcleo atômico é de apenas 10e-15 metros. Portanto, nossa sensibilidade é subatômica.
Fraser: E então, que tipos de eventos você deve ser capaz de detectar neste momento?
Dr. Waldman: Então essa é realmente uma área fascinante. A analogia que gostamos de usar é como olhar para o universo com ondas de rádio e olhar para o universo com telescópios. As coisas que você vê são totalmente diferentes. Você é sensível a um regime totalmente diferente do universo. Em particular, o LIGO é sensível a esses eventos cataclísmicos. Classificamos nossos eventos em 4 grandes categorias. O primeiro que chamamos de rajadas, e isso é algo como um buraco negro se formando. Então ocorre uma explosão de supernova, e tanta matéria se move tão rapidamente que forma buracos negros, mas você não sabe como são as ondas de gravidade. Tudo que você sabe é que existem ondas de gravidade. Então, essas são coisas que acontecem extremamente rapidamente. Eles duram no máximo 100 milissegundos e ocorrem a partir da formação de buracos negros.
Outro evento que observamos é quando dois objetos estão em órbita um com o outro, digamos, duas estrelas de nêutrons orbitando uma à outra. Eventualmente, o diâmetro dessa órbita decai. As estrelas de nêutrons coalescem, caem umas nas outras e formam um buraco negro. E nas últimas órbitas, essas estrelas de nêutrons (lembre-se de que são objetos que pesam de 1,5 a 3 massas solares) estão se movendo em grandes frações da velocidade da luz; digamos 10%, 20% da velocidade da luz. E esse movimento é um gerador muito eficiente de ondas de gravidade. Então é isso que usamos como nossa vela padrão. É isso que achamos que existe; sabemos que eles estão por aí, mas não temos certeza de quantos deles estão saindo ao mesmo tempo. Não temos certeza de como uma estrela de nêutrons em espiral se parece em ondas de rádio ou raios-x em radiação óptica. Portanto, é um pouco difícil calcular exatamente com que frequência você verá uma supernova em espiral ou uma supernova.
Fraser: Agora você será capaz de detectar a direção deles?
Dr. Waldman: Temos dois interferômetros. De fato, temos dois locais e três interferômetros. Um interferômetro está em Livingston Louisiana, ao norte de Nova Orleans. E nosso outro interferômetro está no leste do estado de Washington. Como temos dois interferômetros, podemos fazer triangulação no céu. Mas ainda resta alguma incerteza onde está exatamente a fonte. Existem outras colaborações no mundo com as quais trabalhamos bastante na Alemanha, Itália e Japão, e elas também têm detectores. Portanto, se vários detectores em vários locais veem uma onda de gravidade, podemos fazer um trabalho muito bom na localização. A esperança é que vemos uma onda de gravidade e sabemos de onde ela vem. Em seguida, instruímos nossos colegas de radioastrônomos e astrônomos de raios-x e nossos astrônomos ópticos a olharem para aquela parte do céu.
Fraser: Existem novos telescópios grandes no horizonte; esmagadoramente grandes e gigantescos, e Magalhães ... os grandes telescópios descendo o cano com orçamentos razoavelmente grandes para gastar. Digamos que você possa encontrar ondas gravitacionais de forma confiável, é quase como se adicionasse um novo espectro à nossa detecção. Se grandes orçamentos fossem colocados em alguns desses detectores de ondas gravitacionais, para que eles poderiam ser usados?
Dr. Waldman: Bem, como eu disse antes, é como a revolução da astronomia quando os radiotelescópios foram colocados online. Estamos analisando uma classe de fenômenos fundamentalmente diferente. Devo dizer que o laboratório LIGO é um laboratório bastante grande. Temos mais de 150 cientistas trabalhando, por isso é uma grande colaboração. E esperamos colaborar com todos os astrônomos ópticos e radioelétricos à medida que avançamos. Mas é um pouco difícil prever qual o caminho que a ciência seguirá. Acho que se você falar com muitos relativistas gerais, a característica mais interessante das ondas gravitacionais é que estamos fazendo algo chamado Relatividade Geral de Campo Forte. Isso é toda a Relatividade Geral que você pode medir olhando para estrelas e galáxias é muito fraca. Não há muita massa envolvida, não está se movendo muito rápido. É a grandes distâncias. Considerando que, quando estamos falando sobre a colisão de um buraco negro e uma estrela de nêutrons, esse último momento, quando a estrela de nêutrons cai no buraco negro, é extremamente violento e investiga um campo de relatividade geral que simplesmente não é muito acessível com telescópios normais, com rádio, com raio-x. Portanto, a esperança é que haja alguma física fundamentalmente nova e emocionante lá. Eu acho que é isso que nos motiva principalmente, você pode chamar de divertido com a Relatividade Geral.
Fraser: E quando você espera ter sua primeira detecção.
Dr. Waldman: Portanto, os interferômetros LIGO - todos os três interferômetros - que o LIGO opera estão todos funcionando com sensibilidades de projeto, e atualmente estamos no meio da execução do S5; nossa quinta corrida científica, que dura um ano. Tudo o que fazemos durante um ano é tentar procurar ondas de gravidade. Como em muitas coisas na astronomia, a maior parte é esperar e ver. Se uma supernova não explodir, não vamos vê-la, é claro. E, portanto, temos que estar online o maior tempo possível. Pensa-se que a probabilidade de observar um evento, como um evento de supernova, esteja na região de - na nossa sensibilidade atual -, pensamos que veremos um a cada 10 a 20 anos. Há uma grande variedade. Na literatura, existem pessoas que afirmam que veremos várias por ano e depois há pessoas que afirmam que nunca mais veremos nossa sensibilidade. E o meio termo conservador é uma vez a cada 10 anos. Por outro lado, estamos atualizando nossos detectores assim que essa execução terminar. E estamos melhorando a sensibilidade em um fator 2, o que aumentaria nossa taxa de detecção em um fator 2 em cubos. Porque a sensibilidade é um raio e estamos analisando um volume no espaço. Com esse fator de 8 a 10 na taxa de detecção, deveríamos assistir a um evento uma vez por ano, aproximadamente. E depois disso, estamos atualizando para o que é chamado Advanced LIGO, que é um fator de 10 melhorias na sensibilidade. Nesse caso, quase definitivamente veremos ondas de gravidade uma vez por dia, mais ou menos; a cada 2-3 dias. Esse instrumento foi projetado para ser uma ferramenta muito real. Queremos fazer astronomia gravitacional; para ver eventos a cada poucos dias. Será como lançar o satélite Swift. Assim que Swift apareceu, começamos a ver explosões de raios gama o tempo todo, e o Advanced LIGO será semelhante.
