Há cem anos, Albert Einstein, em sua teoria da relatividade, previu a existência de um lado negro do cosmos. Ele pensou que existiam “ondas gravitacionais” invisíveis, ondulações no espaço-tempo produzidas pelos mais violentos eventos no cosmos—estrelas explodindo, buracos negros colidindo e talvez até o próprio Big Bang. Por décadas, astrônomos reuniram evidências fortes confirmando a existência dessas ondas, mas nunca haviam detectado nenhuma delas diretamente—até agora. Elas eram a última parte da teoria geral da relatividade que precisava ser verificada.

Astrônomos têm usado luz para estudar o universo com telescópios ópticos por centenas de anos. Nós temos expandido essa visão desde o meio do século XX, construindo detectores e instrumentos sensitivos a todas as formas do que os físicos chamam de luz: o espectro eletromagnético, de rios gama até rádio. A descoberta das ondas gravitacionais representa nossos primeiros passos nos estudos do espectro das ondas de gravidade, que existem independentemente da luz, examinando diretamente os efeitos da gravidade, uma vez que ela se espalha por todo o cosmos. É a primeira página de um novo capítulo para a astronomia e ciência.

Como fizemos a descoberta

A descoberta data do último mês de setembro, quando dois dispositivos gigantescos em diferentes partes dos Estados Unidos, o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), captaram uma onda gravitacional passageira originada da colisão de dois enormes buracos negros em uma galáxia muito distante. LIGO é o que chamamos de um interferômetro e consiste em dois “braços” de quatro quilômetros organizados com um ângulo reto entre eles, protegidos por tubos de concreto e um raio laser que brilha e reflete de volta em espelhos que ficam nas pontas.

Quando uma onda gravitacional passa, o esmagamento e alongamento do espaço faz com que esses braços, de forma alternada, se alonguem e se encolham, um ficando mais longos, enquanto o outro fica mais curto e vice-versa. À medida que o braço muda seu comprimento, o raio de laser demora um tempo diferente para viajar. Isso significa que os dois raios não estão em sincronia e que houve uma interferência no padrão—por isso o nome interferômetro.

A mudança no comprimento dos braços é minúscula—algo como um milhão de milionésimo da espessura de um cabelo humano. Isso porque o sinal de uma onda gravitacional de um ponto muito afastado do cosmos é assustadoramente pequeno no momento que chega até aqui. Como se fazer essa detecção já não fosse difícil o suficiente, todas os distúrbios locais da Terra deixam isso mais complexo, seja o chão vibrando ou oscilações causadas pela rede de energia; e “ruídos” instrumentais que poderiam imitar ou descartar completamente um sinal real do cosmos.

Para alcançar essa incrível sensibilidade requerida, quase todos os aspectos do design do detector LIGO foram modificados nos últimos anos. Nós, da Universidade de Glasgow, lideramos um consórcio de instituições do Reino Unido que teve um papel—desenvolver, construir e instalar as suspensões do espelho no coração dos detectores que eram cruciais para esta detecção. A tecnologia foi baseada em nosso trabalho, o detector germanobritânico GEO600. Isso fez o LIGO virar o LIGO Avançado, o mais sensível instrumento científico já criado, para nos dar o primeiro vislumbre do universo escuro.

Há muito tempo…

E que vislumbre. Os dois buracos negros que colidiram tinham 29 vezes e 36 vezes a massa do nosso sol (veja na simulação de computador abaixo). É consequentemente a primeira evidência direta de que buracos negros existem, podem existir em pares e podem colidir e se juntar. Comparar nossos dados às previsões de Einstein nos permitiu testar se a relatividade geral descreve corretamente a colisão—e a teoria se saiu muito bem.

A união aconteceu a mais de um bilhão de anos-luz da Terra, convertendo o equivalente a três vezes a massa do sol em energia gravitacional. Em uma fração de segundo, a força radiada por essas ondas foi dez vezes maior do que toda a luminosidade de todas as estrelas e galáxias no universo visível. Esse foi um evento cataclísmico há muito tempo em uma galáxia muito, muito distante. Em Star Wars, Darth Vader nos diz para não “subestimar o lado negro da força”. Essa incrível descoberta nos mostra que ele estava certo.

É claro que nossa descoberta não é só sobre checar se Einstein estava certo. Detectar ondas gravitacionais irá nos ajudar a examinar os cantos mais extremos dos cosmos—o horizonte de eventos de um buraco negro, o coração mais profundo de uma supernova, a estrutura interna de uma estrela de nêutron: regiões que são completamente inacessíveis para telescópios eletromagnéticos.

Conseguiremos aproveitar as ondas gravitacionais de forma prática aqui na Terra? Poderiam novas descobertas sobre o universo escuro nos ajudar, talvez num futuro distante, não somente a medir campos gravitacionais, mas também a controla-los, como imaginado nas colônias espaciais e nos buracos de minhoca do filme Interestelar de Christopher Nolan. Isso é muito mais difícil de prever, mas a lição que a história nos deixa é que novos fenômenos que descobrimos e exploramos com frequência nos levam a tecnologias disruptivas que chegam para mudar nossas vidas. Pode levar alguns séculos, mas estou confiante que o mesmo acontecerá com as ondas gravitacionais.

Este texto foi publicado originalmente no site The Conversation. Ele foi escrito por Martin Hendry, professor de astrofísica gravitacional e cosmologia da Universidade de Glasgow.The Conversation

Tópicos: Albert Einstein, Astronomia, Ciência