O que são as Ondas Gravitacionais?

- Atualizado no dia 9 de dezembro de 2023 -

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Em 14 de setembro de 2015, o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO, na sigla em inglês) fez história ao detectar, pela primeira vez, as primeiras ondas gravitacionais, oriundas da fusão entre dois massivos buracos negros, distantes cerca de 1,3 bilhão de anos-luz da Terra. Além de confirmar algo previsto por Einstein há mais de 100 anos, a detecção trouxe uma nova e fantástica forma para os astrônomos enxergarem o Universo. Aliás, nem o Einstein acreditava que teríamos tão cedo tecnologia suficiente para detectarmos tal fenômeno gravitacional!

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Atualização: No tópico PULSAR TIMING, uma série de estudos foi explorada sobre a potencial detecção de múltiplas ondas gravitacionais formando um ruído de background no universo e associadas possivelmente com uma população de supermassivos buracos negros.

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ONDAS GRAVITACIONAIS

Em 1916, o ano após a formulação final das equações de campo da Relatividade Geral, Albert Einstein encontrou que as equações linearizadas do campo-fraco tinham soluções de onda: ondas transversais de tensão espacial que viajam a velocidade da luz e geradas pelas variações do tempo do movimento quadrupolo de massa da fonte. Em outras palavras, o brilhante cientista Alemão previu que certos movimentos de objetos poderiam causar perturbações no espaço que se espalhariam como ondas geradas quando alguém joga uma pedra em um lago, carregando energia e momento. Nesse sentido, tal fenômeno - só recentemente confirmado - ficou conhecido como Ondas Gravitacionais.

Em certas condições específicas, tudo contendo massa pode gerar ondas gravitacionais à medida que o corpo que comporta essa massa se move de forma acelerada no espaço, ou seja, quando a curvatura do espaço-tempo muda e essas mudanças se movem para fora da sua fonte. Bastando estar acelerado, você, seu carro, um avião, etc., estarão gerando ondas gravitacionais. Porém, a maior parte das ondas gravitacionais são extremamente fracas, e para detectá-las com a nossa atual instrumentação, é necessário que o corpo se movendo nessas condições específicas seja muito massivo e estar em velocidades altíssimas. Por exemplo, uma bola de beisebol sendo arremessada estaria criando ondas gravitacionais que poderiam ser detectadas e inferir a existência da bola sem a necessidade de qualquer outro tipo de informação física. Porém, para que essas ondas sejam detectadas fora do estádio onde o arremesso foi dado, mesmo com os mais avançados instrumentos que possuímos, seria necessário que a pequena bola tivesse uma densidade de um buraco negro e que estivesse sendo arremessada em velocidades próximas da luz!

Nesse sentido, podemos definir que ondas gravitacionais são perturbações no espaço-tempo criadas com significativa intensidade quando uma estrela colapsa e explode assimetricamente (supernova), quando supermassivos buracos negros se chocam - ou são formados -, no surgimento de estrelas de nêutrons, quando duas estrelas orbitam uma em torno da outra, ou qualquer outro fenômeno envolvendo corpos celestes que passam por ou geram mudanças bruscas no campo gravitacional no local onde tais eventos/ações ocorrem. Essas perturbações se propagam como ondas no espaço, se movendo à velocidade da luz no vácuo (~300000 km/s), comprimindo e esticando o espaço em seu caminho.

Porém, os tipos de eventos que criam ondas gravitacionais de mínima intensidade para serem efetivamente detectados estão bem distantes do nosso Sistema Solar, muitas vezes gerando apenas pequenas e fracas ondas, estas as quais, quando chegam à Terra, ficam bem difíceis de serem detectadas (por isso demoramos tanto tempo para fazer a primeira detecção). Cientistas também definiram quatro categorias de ondas gravitacionais com assinaturas vibracionais bem distintas: Ondas Gravitacionais Contínuas, Ondas Gravitacionais Compactas Binárias Inspirais, Ondas Gravitacionais Estocásticas e Ondas Gravitacionais de Estouro:

1. Ondas Gravitacionais Contínuas: São produzidas por um massivo objeto único girando, como uma extremamente densa Estrela de Nêutron. Quaisquer relevos ou imperfeições no formato esférico dessas estrelas irão gerar ondas gravitacionais à medida que a estrela gira. Se a taxa de rotação da estrela permanece constante, o mesmo acontece com as propriedades das ondas gravitacionais emitidas. Ou seja, a onda gravitacional é contínua em sua frequência e amplitude.

2. Ondas Gravitacionais Compactas Binárias Inspirais: São produzidas por pares em órbita de massivos e densos objetos - "compactos" - como Estrelas-Anãs-Brancas, Buracos Negros e Estrelas de Nêutrons. Existem três tipos de sistemas compactos binários: Estrelas de Nêutrons Binárias (BNS), Buracos Negros Binários (BBH) e Estrelas de Nêutrons-Buracos Negros Binários (NSBH). Cada tipo possui uma onda gravitacional característica, mas todas são formadas pelo mesmo mecanismo, chamado ´inspiral´. À medida que os pares de objetos muito densos orbitam um ao outro, ondas gravitacionais vão sendo emitidas, removendo parte da energia orbital do sistema (a qual é responsável por mantê-los afastados). Ao longo de muito tempo, durante o qual os objetos continuam orbitando um ao outro e perdendo energia, eles vão se aproximando mais e mais. Quanto mais próximos um do outro, mais rápido eles acabam orbitando, o que faz com que eles emitam mais e mais ondas gravitacionais e percam mais e mais energia. Assim, o destino é um só: elas irão acelerar cada vez mais ao encontro um do outro, até uma catastrófica colisão (como mostrado no vídeo abaixo, produzido pela NASA). Aliás, é dessa categoria que veio a primeira prova da existência das ondas gravitacionais, em 1974, quando astrônomos observaram que pulsares em um sistema binário estavam orbitando cada vez mais próximas uma da outra obedecendo perfeitamente às predições da Teoria da Relatividade.

3. Ondas Gravitacionais Estocásticas: São ondas gravitacionais aleatórias - 'estocásticas' - sendo originadas a todo momento de fontes diversas, as quais são bem pequenas e difíceis de serem detectadas. Parte delas podem ter origem do Big Bang, o que as tornam muito importantes para melhor entendermos a origem do Universo.

4. Ondas Gravitacionais de Estouro: São ondas gravitacionais com propriedades totalmente desconhecidas para os cientistas no momento e, obviamente, ainda não detectadas. Elas podem ter origem de eventos cósmicos totalmente novos e possuírem comportamentos bem estranhos. O maior desafio é saber como detectar algo desse tipo, ou melhor, algo 'sem tipo'.

As ondas gravitacionais detectadas pelo LIGO em 2015 foram geradas por dois buracos negros muito massivos que orbitavam um ao outro até se fundirem - na verdade, a fração de segundo final do evento, como pode ser visto em um gráfico na próxima seção. A massa total resultante ficou em torno de 60 vezes aquela do nosso Sol. O evento foi extremamente energético, liberando, em uma fração de segundos, 50 vezes mais energia em ondas gravitacionais do que todas as estrelas no Universo inteiro na forma de luz no mesmo período de tempo! Porém, as ondas que nos atingiram eram muito fracas depois de 1 bilhão de anos-luz de propagação e dispersão pelo espaço, e a diferença de comprimento sentida pelos braços do LIGO foi menor do que 1 milésimo de diâmetro do núcleo de um átomo!

Aliás, as ondas gravitacionais podem causar efeitos em gigantesca escala próximo da fonte de origem. Em 2017, astrônomos descobriram um supermassivo buraco negro que pode ter sido arremessado para fora do centro de uma distante galáxia devido ao poder dessas ondas, geradas durante o processo de fusão que originou o massivo corpo. Detectado pelo Hubble, o corpo com 1 bilhão de massas do nosso Sol é o mais massivo buraco negro já observado - através da sua emissão energética na forma de quasar - sendo expulso da sua galáxia, em uma velocidade altíssima, a qual permitiria uma viagem da Terra à Lua em questão de 3 minutos. Nessa velocidade, foi estimado que o imenso buraco negro sairá da galáxia em cerca de 20 milhões de anos, sendo que já viajou >35 mil anos-luz (mais do que a distância do Sol até o centro da Via Láctea).

COMO DETECTÁ-LAS?

Quando uma onda gravitacional passa por qualquer lugar, ela espreme e estica o espaço, com tal ação associada a uma frequências de onda. O espectro das ondas gravitacionais cobre uma ampla faixa de frequências, as quais necessitam de avançada instrumentação para detectá-las. Tradicionalmente, temos o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory/ Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser), o VIRGO e o LISA (Laser Interferometer Space Antenna/Antena Espacial de Interferômetro a Laser), esse último um projeto mais recente ainda sendo desenvolvido e envolvendo parceria entre a ESA (Agência Espacial Europeia) e a NASA. Em 14 de agosto de 2017, ambos, LIGO e VIRGO, detectaram um sistema binário de buracos negros se fundindo, representando a primeira vez que tal evento foi detectado pelos dois instrumentos ao mesmo tempo. Desde então, várias ondas gravitacionais têm sido detectadas, incluindo ondas resultantes da fusão entre estrelas de nêutrons.

LIGO e VIRGO

O LIGO e o VIRGO estão sendo continuamente aprimorados, conseguindo detectar frequências em torno de 10 Hz a 1000 Hz. O LIGO é formado por dois observatórios, um em Louisiana e um em Washington, EUA. Cada observatório possui dois longos "braços" com mais de 4 km de extensão. Já o VIRGO é um interferômetro com braços de 3 quilômetros de comprimento construído próximo de Pisa, Itália, a partir da colaboração entre Franceses e Italianos, essa a qual envolve 19 laboratórios com mais de 250 cientistas na França, Itália e também na Holanda, Polônia e Hungria. Uma onda gravitacional passando pela Terra faz com que o comprimento dos braços citados mude minimamente. Os observatórios usam lasers, espelhos - para criar múltiplas reflexões e ampliar as pequenas variações detectadas na leitura dos feixes de laser - e instrumentos extremamente sensíveis para detectar essas pequenas mudanças. Na animação abaixo - produzida pela NASA -, é mostrado como o mecanismo funciona.

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Atualização: Vibrações de ondas gravitacionais resultantes após a estabilização da maior fusão de buracos negros já detectada pelos instrumentos do LIGO e do VIRGO - GW190521, em 21 de maio de 2019 - foram finalmente encontradas. No instante que dois buracos negros se fundem, o "super" buraco negro resultante possui uma forma com lados desproporcionais; à medida que o corpo é estabilizado, a forma final se torna esférica (ou esferoidal, caso exibam rápido giro) e, dentro de milissegundos, uma forma simétrica e de mais baixa energia é estabelecida. Durante esse breve evento de estabilização, ondas gravitacionais sinusoidais amortecidas em superposição são radiadas com frequências (espectro multimodal de ringdown) determinadas pela massa e pelo giro [momento angular] do buraco negro pós-fusão. Esse último ponto é previsto pela Teoria da Relatividade Geral - como parte do Teorema Sem Cabelo (no-hair theorem) -, onde as frequências e tempos de amortecimento de todo o espectro de sinusoides amortecidos - ou "modos quasi-normais" - são totalmente determinados por apenas dois números: massa do buraco negro e momento angular (como descrito pela solução de Kerr). A nova detecção confirmou essa previsão, trazendo evidência de duas frequências separadas de ringdown. Aliás, análise dessas frequências específicas sugerem uma massa final (~330 massas solares) muito maior do que antes prevista para o GW190521. Ref.19

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LISA

Os observatórios instalados na superfície terrestre, devido ao tamanho limitado, observam as ondas gravitacionais em uma faixa específica do espectro de ondas gravitacionais. Nesse sentido, o LISA entra na jogada para detectar enormes objetos no Espaço criando ondas gravitacionais com frequências mais baixas (0,1 mHz a 1 Hz).

O LISA consiste em três instrumentos espaciais (em forma de satélites) separadas por milhões de milhas e marcando uma rota de dezenas de milhões de milhas - mais do que 100 vezes a distância da Terra à Lua - e orbitando atrás da Terra em relação à nossa órbita com o Sol. Conceitualmente, esses instrumentos mandam feixes de lasers entre si, combinando os sinais em busca de assinaturas de ondas gravitacionais durante perturbações no espaço-tempo provocadas por essas ondas.

Com um detector tão grande quanto o tamanho da Terra, fica possível detectar ondas gravitacionais sendo produzidas pela órbita de buracos negros centenas de milhões de vezes mais massivos do que o nosso Sol. A precisão e sensibilidade do LISA será tão grande que permitirá medir mudanças de posição menores do que o diâmetro de um núcleo de hélio em uma distância acima de 1 milhão de milhas, ou, em outras palavras, uma deformação de 1 parte em 10^20 em frequências em torno de 1 milihertz. É esperado que esteja pronto para operar na década de 2030.

OUTROS

Existem outras promissoras técnicas para detectar outras faixas de frequência das ondas gravitacionais que não podem ser observadas pelo LISA e pelo LIGO. No quadro abaixo temos algumas dessas técnicas (!) e os espectros de frequência que podem ser alcançados.

(!) PULSAR TIMING

Depois de 15 anos coletando dados, cientistas no Observatório Norte-Americano Nanohertz para Ondas Gravitacionais (NANOGrav) observaram múltiplas ondas gravitacionais de frequências muito baixas permeando o background do Universo e com origens muito antigas. O trabalho envolveu 190 cientistas e, basicamente, usou a nossa galáxia (Via Láctea) como uma imensa "antena" de ondas gravitacionais através de estrelas de nêutrons chamadas de pulsares. No total, foram coletados dados de 687pulsares, e as ondas gravitacionais provavelmente detectadas são pensadas de terem sido produzidas por vários pares de supermassivos buracos negros com massas milhões ou até bilhões de vezes a massa solar.

Um pulsar é uma estrela de nêutron rotatória - o remanescente de uma explosão de supernova (1) - com pulsos regulares de radiação. Os intensos campos magnéticos afunilam jatos de partículas ao longo dos polos magnéticos, produzindo um feixe de radiação, como um farol. Se nós estamos situados ao longo da linha de visão dos feixes, veremos uma explosão, ou pulso de radiação à medida que o pulsar gira a velocidades tão altas quanto 1000 vezes por segundo. A taxa do pulso é incrivelmente precisa, e os feixes atravessam nosso planeta com uma regularidade que rivaliza um relógio atômico. Caso uma onda gravitacional passa ao longo do caminho entre a Terra e o pulsar, o tecido do espaço-tempo é perturbado, causando pequenas variações no tempo de chegada dos feixes. Em outras palavras, as ondas gravitacionais fazem os sinais ultraprecisos dos pulsares chegaram um pouco atrasados ou um pouco adiantados.

(1) Para mais informações, acesse: O que são as Estrelas de Nêutrons?

O NANOGrav analisou 15 anos de dados acumulados de três observatórios de rádio captando os sinais de 67 pulsares distantes ~20 mil anos-luz da Terra: Observatório Arecibo em Porto Rico, Telescópio Green Bank em West Virginia [EUA] e o Telescópio Muito Grande no Novo México.

Concepção artística de ondas gravitacionais causadas por pares de supermassivos buracos negros interferindo com pulsos de estrelas de nêutrons alcançando a Terra.

A Teoria da Relatividade Geral prediz o preciso impacto das ondas gravitacionais sobre os sinais de pulsares. Ao esticar e comprimir o tecido do espaço-tempo, essas ondas exercem uma influência discernível sobre o tempo de cada pulso dos pulsares. Essa mudança no tempo de chegada dos sinais de rádio associados aos pulsos são correlacionados entre todos os pares de pulsares, com o padrão de correlação contingente sobre a separação angular das duas estrelas de nêutrons no céu.

Em uma série de estudos publicados no periódico Astrophysical Journal Letters (Ref.17), os pesquisadores trouxeram várias linhas de evidências suportando a detecção de múltiplas ondas gravitacionais através do NANOGrav, apontando uma população de supermassivos buracos negros em sistemas binários de galáxias distantes como fonte. Porém, outras fontes exóticas não podem ainda ser descartadas, incluindo possível ruído residual do Big Bang. As prováveis detecções possuem >99% de confiança como sendo reais (≈3,5σ–4σ no nível de detecção), e estão associadas com anomalias de 1 parte em 1 quadrilhão nos tempos de chegada dos pulsos.

As múltiplas ondas gravitacionais observadas estavam combinadas, produzindo um "zumbido" - um ruído de background do Universo - e são milhares de vezes mais fortes e mais longas do que as ondas gravitacionais detectadas em 2021. Enquanto as ondas de 2015 detectadas pelo LIGO e pelo VIRGO tinham apenas dezenas ou centenas de quilômetros de comprimento [comprimento de onda], as ondas observadas através do NANOGrav possuem dezenas de anos-luz de comprimento - ou seja, associadas a frequências extremamente baixas.

"Se for confirmado, nós teremos 20 anos de trabalho estudando esse novo background," disse Monica Colpi, pesquisadora que estuda a teoria das ondas gravitacionais e buracos negros na Universidade de Milan-Bicocca, Itália, em entrevista à Nature (Ref.18). "Irá colocar um exército de astrofísicos para trabalhar."

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O QUE ELAS NOS CONTAM?

De uma forma simples e direta, ser capaz de detectar as ondas gravitacionais é uma nova e revolucionária maneira de ver o universo. Para citar um exemplo, antes da detecção das ondas gravitacionais, os buracos negros nunca tinham sido diretamente observados, sendo apenas inferidos por teorias, quasares e pelos efeitos gravitacionais impostos aos corpos próximos (2). Com as ondas gravitacionais é possível:

- conversar com o cosmo através de uma nova linguagem, possibilitando a observação de estruturas e corpos cósmicos antes inalcançáveis com outros instrumentos;

- tornar ainda mais robusta a teoria da relatividade geral;

- entender melhor sobre como funciona e o que é a gravidade;

- explicar melhor o evento do Big Bang;

- descobrir novos fenômenos físicos no universo;

- ajudar a resolver um dos maiores desafios da física moderna: unir todas quatro forças do universo em um único modelo matemático (Nuclear Forte, Nuclear Fraca, Gravitacional e Eletromagnética). Isso era um dos maiores sonhos do Einstein;

- explorar a física envolvida em condições extremas, como os buracos negros, supernovas e estrelas de nêutrons.

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(2) Importante apontar que hoje temos imagem direta de buracos negros. Para mais informações: