Há dez anos, os cientistas ouviram pela primeira vez o “ronco” do Universo. A deteção inaugural de ondas gravitacionais confirmou uma previsão central da teoria da relatividade geral de Albert Einstein e abriu, de imediato, uma nova era para a astronomia.
Agora, uma nova observação de ondas gravitacionais assinala o aniversário desse marco histórico. O resultado, publicado hoje na revista Cartas de Revisão Física, coloca à prova uma ideia de outro gigante da ciência: Stephen Hawking.
O que são ondas gravitacionais?
As ondas gravitacionais são “ondulações” no tecido do espaço-tempo que se propagam à velocidade da luz. Surgem quando objetos muito massivos sofrem acelerações extremas - por exemplo, na colisão de buracos negros ou na fusão de remanescentes estelares muito densos chamados estrelas de neutrões.
Estas ondulações que atravessam o cosmos foram observadas diretamente pela primeira vez em 14 de setembro de 2015, através dos dois detetores gémeos do Observatório de Interferometria a Laser para Ondas Gravitacionais (LIGO), nos Estados Unidos.
O primeiro sinal, designado GW150914, teve origem na colisão de dois buracos negros, cada um com mais de 30 vezes a massa do Sol, a mais de mil milhões de anos-luz da Terra.
Esse registo constituiu a primeira prova direta de ondas gravitacionais, exatamente como Einstein havia previsto um século antes. A descoberta levou à atribuição do Prémio Nobel da Física de 2017 a Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne, pelo trabalho pioneiro desenvolvido no âmbito da colaboração do LIGO.
Centenas de sinais em menos de uma década
Desde 2015, foram registadas mais de 300 ondas gravitacionais pelo LIGO, em conjunto com os detetores Virgo (Itália) e KAGRA (Japão).
Há apenas algumas semanas, a colaboração internacional LIGO/Virgo/KAGRA divulgou os resultados mais recentes do seu quarto período de observação, aumentando para mais do dobro o número de ondas gravitacionais conhecidas.
Dez anos depois da primeira deteção, uma equipa internacional - que inclui cientistas australianos do Centro de Excelência do Conselho Australiano de Investigação para a Descoberta de Ondas Gravitacionais (OzGrav) - anunciou um novo sinal: GW250114.
O GW250114 é, em grande medida, uma réplica do sinal pioneiro GW150914. A colisão de buracos negros que o gerou apresentou propriedades físicas muito semelhantes às do evento de 2015. No entanto, graças a melhorias substanciais introduzidas nos detetores ao longo da última década, o novo sinal surge com muito mais nitidez - quase quatro vezes mais “alto” do que o GW150914.
Essa clareza adicional não é apenas um detalhe técnico: traduz-se em medições mais rigorosas dos parâmetros do sistema e, por consequência, em testes mais exigentes às teorias fundamentais que descrevem a gravidade e os buracos negros.
Ondas gravitacionais e buracos negros: como os detetores ficaram mais sensíveis
Os interferómetros como o LIGO, o Virgo e o KAGRA medem variações extremamente pequenas na distância entre espelhos, provocadas pela passagem de uma onda gravitacional. Para aumentar a sensibilidade, as equipas têm trabalhado em múltiplas frentes: redução de ruído, melhor isolamento de vibrações, aperfeiçoamento da instrumentação e calibração mais fina.
O impacto prático dessas melhorias é direto: sinais semelhantes aos do passado tornam-se hoje muito mais fáceis de distinguir do “ruído” de fundo, permitindo não só detetar mais eventos, mas também extrair mais informação sobre as massas, a rotação e a dinâmica das colisões.
Hawking também tinha razão
Há mais de 50 anos, os físicos Stephen Hawking e Jacob Bekenstein formularam, de forma independente, um conjunto de leis que descrevem o comportamento dos buracos negros.
A segunda lei da mecânica dos buracos negros de Hawking - também conhecida como teorema da área de Hawking - afirma que a área do horizonte de acontecimentos de um buraco negro deve aumentar sempre. Dito de outro modo, os buracos negros não podem encolher.
Entretanto, Bekenstein mostrou que a área de um buraco negro está diretamente ligada à sua entropia, uma medida científica de desordem. Pela segunda lei da termodinâmica, a entropia tem de aumentar: o Universo tende a ficar mais “desarrumado”. Como a entropia de um buraco negro também deve crescer com o tempo, segue-se que a sua área tem igualmente de aumentar.
Como verificar estas ideias? A resposta é elegante: as colisões de buracos negros funcionam como um laboratório natural quase perfeito.
A precisão deste novo registo permitiu aos cientistas realizar, até à data, o teste mais rigoroso ao teorema da área de Hawking.
Testes anteriores, baseados no primeiro evento, o GW150914, indicavam boa concordância com a lei de Hawking, mas não permitiam uma confirmação definitiva.
Os buracos negros, apesar de extremos, são objetos surpreendentemente simples: a área do horizonte depende essencialmente da sua massa e da sua rotação (momento angular), os únicos parâmetros necessários para descrever um buraco negro astrofísico. Essas mesmas grandezas determinam, por sua vez, a forma do sinal de onda gravitacional.
Ao medir separadamente as massas e as rotações do par de buracos negros antes da colisão e ao comparar esses valores com a massa e a rotação do buraco negro final que resulta do embate, os investigadores conseguiram comparar a área dos dois horizontes iniciais com a área do horizonte final.
Os dados mostram uma concordância excecional com a previsão teórica de que a área deve aumentar, confirmando sem margem para dúvida a lei de Hawking.
O que vem a seguir?
Que outro “gigante” da ciência será posto à prova a seguir? Observações futuras de ondas gravitacionais deverão permitir testar teorias ainda mais exóticas e, talvez, investigar a natureza de componentes em falta no inventário do cosmos - a matéria escura e a energia escura.
Simon Stevenson, bolseiro ARC DECRA, Universidade de Tecnologia de Swinburne
Este artigo é republicado de A Conversa ao abrigo de uma licença de Bens Comuns Criativos. Leia o artigo original.
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