Uma nova era! Detector espacial de ondas gravitacionais poderá escutar a fusão de buracos negros
Na última semana de janeiro, a agência espacial europeia confirmou que possui tecnologia o suficiente para iniciar a construção do Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Será o primeiro detector de ondas gravitacionais localizado no espaço
No começo do século XX, Albert Einstein propôs a relatividade geral que descreve como o tecido do espaço-tempo - composto por 4 dimensoes - interage com a massa. Esse foi o segundo grande passo para compreender a gravidade. Hoje, sabemos que estamos presos à superfície terrestre porque a massa da Terra distorce o espaço-tempo.
Um fenômeno interessante que nasceu da relatividade geral foi o que chamaram de ondas gravitacionais. Ondas gravitacionais seriam ondulações do tecido do espaço-tempo que acontece toda vez que um objeto com massa é acelerado. Essas ondulações viajam por todo tecido do espaço-tempo em diferentes direções mas observá-las é um desafio.
Em 2015, tivemos a primeira observação de uma onda gravitacional através do observatório LIGO. Apesar de diversas descobertas desde então, o LIGO apresenta diferentes limitações que impede o avanço na área. Em janeiro, o ESA confirmou o início da missão LISA que levará um observatório de ondas gravitacionais para o espaço.
Ondas gravitacionais
Um dos resultados mais importantes de Einstein é que o espaço-tempo pode ser distorcido e curvado. Todo objeto com massa distorce o espaço-tempo, inclusive nós mesmos apesar de ser imperceptível. Quando esse objeto com massa se acelera, ele cria ondas no tecido do espaço-tempo que se propagam com a velocidade da luz.
A amplitude e a frequência de uma onda gravitacional depende do evento que originou essa onda. Quanto mais energético for o evento, mais alta é a amplitude. Os objetos que geram ondas gravitacionais energéticas o suficiente para serem observadas aqui da Terra são os buracos negros.
Primeira observação de ondas gravitacionais
Em 2015, o interferômetro LIGO detectou pela primeira vez a passagem de uma onda gravitacional. A onda gravitacional era referente à uma colisão de dois buracos negros: um de 36 e outro de 29 massas solares localizados a cerca de 1.5 bilhões de anos-luz. Esse evento ficou conhecido como GW150914 referente a data que foi observado.
Modelos teóricos descreviam como seria a assinatura em ondas gravitacionais de uma dessas colisões. Ao comparar o resultado obtido pelo LIGO com modelos, a equipe responsável foi capaz de descrever o evento com precisão. O trabalho fez com que o físico Kip Thorne, famoso por ser a cabeça por trás de Interestelar, levasse o Prêmio Nobel de Física em 2017.
O LIGO é um detector de ondas gravitacionais localizado na superfície terrestre localizado parte em Washington e parte em Louisiana. Ele funciona como lasers que são emitidos no formato da letra L. Quando uma onda gravitacional passa pelo detector, os lasers sofrem distorções que são observadas no tempo de chegada de cada um.
Outras observações
As observações do LIGO não pararam até hoje. Em três rounds de observações que começaram em 2015, o LIGO já fez cerca de 90 detecções entre elas colisão de buracos negros com estrelas de nêutrons. Após a primeira detecção, outra que chamou a atenção foi a primeira detecção multimensageira usando ondas gravitacionais.
GW170817 foi uma colisão entre duas estrelas de nêutrons que foi observada pelo LIGO. Ao mesmo tempo, um gamma-ray burst no mesmo local foi detectado gerando uma observação eletromagnética. Essa foi a primeira vez que foi observação a radiação eletromagnética emitida de um evento que gerou ondas gravitacionais observadas.
LISA
Assim como o LIGO, LISA (Laser Interferometer Space Antenna) será um futuro detector de ondas gravitacionais com a vantagem de estar localizado no espaço. A ideia é criar um triângulo equilatério de lasers que são emitidos por sondas que ficarão orbitando a Terra. Cada lado do triângulo terá 2,6 quilômetros. A ideia que uma onda gravitacional interfira com o laser ao passar.
O ESA está liderando a colaboração para a construção do LISA. Em janeiro desse ano, ESA confirmou que já possui a tecnologia necessária para dar início à missão. O projeto para início da construção dos equipamentos está previsto para começar em janeiro de 2025.
Por que o LISA?
O fato de ser um detector no espaço faz com que o LISA não esteja ao alcance de ruídos terrestres. Outro ponto é que o LISA terá o formato de um triângulo em vez de o formato de L do LIGO, isso aumentará o intervalo e o alcance que o LISA poderá alcançar. Isso significa que o LISA poderá alcançar fusões de buracos negros ainda mais distantes.
Além disso, o LIGO é limitado para uma dada frequência específica de observação. É esperado que o LISA seja capaz de captar um intervalo maior de frequências, isso também se deve ao seu tamanho e seu formato. A ideia é que a missão LISA supere as limitações presentes do LIGO.
Respostas que o LISA pode trazer
Um dos mistérios da Astronomia é a fusão de buracos negros supermassivos que podem explicar como buracos negros desse tamanho se formaram. Modelos teóricos estimam que ondas gravitacionais de fusões de buracos negros supermassivos chegam por todos os lados mas é necessário uma tecnologia mais sofisticada para observá-los.
O LISA tem como um dos objetos observar esse “ruído” que buracos negros supermassivos fazem quando estão em rota de colisão. Com esses dados, será capaz explicar o quão frequente ou raro esses eventos são e ajudar a responder a pergunta de 1 milhão de dólares: como buracos negros supermassivos surgiram?