LIGO detecta ondas gravitacionais pela terceira vez

No dia 4 de janeiro de 2017 o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) descobriu a sua terceira onda gravitacional em 18 meses.

© LIGO/Caltech/MIT (ilustração da fusão de dois buracos negros)

Apesar dos EUA estarem passando por temperaturas frias, o tremor não foi provocado pelo ar gelado daquela manhã de inverno. Em vez disso, foi o estremecimento do próprio espaço-tempo, gerado pela fusão de dois grandes buracos negros no Universo distante: uma onda gravitacional tinha viajado pela Terra, passando sucessivamente por dois detectores.

Os pesquisadores do LIGO rapidamente determinaram que os buracos negros estavam a cerca de 3 bilhões de anos-luz da Terra quando colidiram, tornando esta fusão a mais distante já observada.

Desde esta detecção, chamada GW170104, os cientistas do LIGO também determinaram que os dois buracos negros envolvidos na fusão tinham mais ou menos 19 vezes e 32 vezes a massa do Sol. Nota-se que, com estas massas, os objetos constituem uma população "nova" de buracos negros com massas previamente desconhecidas antes da primeira detecção do LIGO. O buraco negro que resultou da fusão tem uma massa estimada em mais ou menos 49 vezes a massa do Sol.

Quando os buracos negros coalesceram, o equivalente a 2 sóis, da massa dos buracos negros, foi convertido em pura energia de ondas gravitacionais!

Além disso, toda esta energia foi liberada num piscar de olhos, uns meros 0,12 segundos. No momento da sua colisão, os buracos negros orbitavam-se um ao outro a uma velocidade equivalente a seis-décimos da velocidade da luz!

Antes de se fundirem, os dois buracos negros caberiam em esferas com aproximadamente 115 e 190 km de diâmetro, respectivamente. O buraco negro resultante ocuparia uma esfera com mais ou menos 280 km de diâmetro! Sendo que o nosso Sol tem 1,4 milhões de quilõmetros em diâmetro.

© LIGO/Caltech/MIT (fusão de buracos negros detectados)

O LIGO descobriu uma nova população de buracos negros com massas maiores do que já havia sido visto nos estudos de raios X (roxos). As três detecções confirmadas pelo LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) e uma menor detecção (LVT151012) apontam para uma população de buracos negros binários de massa estelar que, uma vez fundidos, são maiores que 20 massas solares, acima do que era conhecido antes. A detecção GW150914 resultou num buraco negro com 62 massas solares e a GW151226 com 21 massas solares.

A análise adicional dos dados mostrou que este evento também está de acordo com as previsões da relatividade geral, formulada por Albert Einstein há mais de 100 anos.

Apesar da estupenda energia liberada pela colisão dos buracos negros, a detecção de ondas gravitacionais é excessivamente difícil, pois os efeitos que exercem sobre os instrumentos do LIGO são incompreensivelmente pequenos. Esta última onda fez com que o espaço-tempo ocupado pelos braços do LIGO esticassem e diminuíssem um atômetro (1x10^-18 metros). Este valor é 1.000 vezes menor do que um próton!

Dado quão insignificantemente pequenos são estes efeitos, como é que podemos ter a certeza de que esta foi uma verdadeira detecção de ondas gravitacionais e não apenas um estremecimento coincidente em ambos os observatórios?

Uma das primeiras coisas que a equipe determinou foi se o sinal, que apareceu quase simultaneamente nos detectores em Hanford, Washington e Livingston, na Louisiana, era apenas um acaso, nada tendo a ver com ondas gravitacionais oriundas do espaço. Estudando o sinal, ou seja, a sua forma e tempos de chegada em ambos os detectores, e observando quão "ruidosos" os interferômetros eram no momento da deteção, os pesquisadores do LIGO calcularam que as hipóteses de alguns bits de "ruído" aleatório, mas quase idênticos, assemelharem-se com ondas gravitacionais em ambos os instrumentos, ao mesmo tempo, era de 1 em 70.000 anos! Por outras palavras, é extremamente improvável que os sinais detectados em ambos os interferômetros tenham sido provocados por rajadas de ruído casual.

A existência de eventos "ambientais" que podiam ter produzido estes sinais também foi analisada, tais como: tempestades, flutuações da rede elétrica, sinais de rádio, ruído acústico e sísmico, e muitos outros sinais dentro dos próprios instrumentos, verificando se por acaso ocorreram distúrbios externos quase simultâneos. Nenhum foi encontrado.

Depois de analisarem os dados, os cientistas do LIGO determinaram uma certeza de 99,997% de que o sinal recebido foi produzido no Universo distante pela colisão de dois buracos negros. Por outras palavras, podemos dizer com bastante confiança de que o LIGO detectou, efetivamente, um terceiro par de buracos negros em colisão!

Enquanto o LIGO continua detectando ondas gravitacionais da fusão de buracos negros, os observadores eletromagnéticos ainda esperam detectar algo emanado durante os eventos de ondas gravitacionais. Para ajudar a esta tarefa, o LIGO associou-se com 77 observatórios espalhados por todo o mundo (incluindo dois em órbita), para que possam também procurar algum sinal eletromagnético.

Após este último evento, nada foi observado, tal como nas duas detecções anteriores, mas tal fato não é surpreendente por duas grandes razões.

Em primeiro lugar, os buracos negros são "negros" porque nenhuma luz lhes escapa, mesmo quando colidem uns com os outros, assim que não esperamos ver luz oriunda dos próprios buracos negros. Embora os buracos negros não emitam luz, caso alguma matéria "normal", como por exemplo material estelar remanescente de uma supernova, seja apanhada na fusão, poderá aparecer um flash ou um brilho de luz, e os remanescentes podem brilhar durante algum tempo. A análise desta luz podia render informações incrivelmente valiosas sobre o evento, especialmente, quão distante foi a colisão.

Em segundo lugar, com apenas dois detectores na sua rede, ainda não fornecem exatamente onde procurar. Nesta última detecção, a área do céu que se determinou que podia ter abrigado os buracos negros é de 1.200 graus quadrados. É uma área do céu equivalente a 6.000 Luas Cheias. E tendo em conta que não sabemos quanto tempo o brilho de um evento que gerou ondas gravitacionais pode durar, a pesquisa em todas as localizações possíveis é crítica.

A situação mudará drasticamente quando o Virgo, o detetor europeu, voltar ao funcionamento lá mais para o fim do ano. Com pelo menos três interferômetros para detectarem ondas gravitacionais, será possível localizar a fonte das ondas de modo parecido ao que as torres de comunicações utilizam para determinar a localização de um telefone celular.

Até agora, mesmo sem a capacidade de identificar a fonte, o LIGO tem a certeza de ter captado outro evento da última fração de segundo das vidas de dois buracos negros massivos, no momento em que se fundiram um com o outro, há cerca de 3 bilhões de anos. Esta última deteção é um bom presságio para o futuro do LIGO e para o futuro da astronomia de ondas gravitacionais, pois o observatório busca melhorar ainda mais a sua sensibilidade à medida que outros interferômetros de ondas gravitacionais espalhados pelo mundo se juntam à busca.

Um novo artigo foi aceito para publicação no periódico Physical Review Letters.

Fonte: California Institute of Technology