Em 1916, um ano após formular a Teoria da Relatividade Geral, Albert Einstein previu que partículas aceleradas produziriam ondulações no tecido do espaço-tempo. Contudo, o próprio Einstein acreditava que qualquer tentativa de detectar essas “ondas gravitacionais” seria inútil, já que o efeito que elas têm no ambiente é minúsculo. Quase que poeticamente, um século depois da previsão de Einstein, esse fenômeno elusivo foi validado. Em 14 de setembro de 2015, uma nova janela abriu-se no Universo.
Detectando um murmúrio no espaço-tempo
Embora ondas gravitacionais sejam invisíveis, elas têm um efeito mensurável no espaço conforme elas viajam, fazendo com que distâncias aumentem e diminuam. É aí que entra o Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), ou observatório interferômetro laser de ondas gravitacionais. Os detectores do LIGO em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington, nos Estados Unidos, utilizam luz laser como um cronômetro extremamente preciso para medir esse efeito. Os detectores são dois interferômetros de Michelson idênticos, emitindo lasers poderosos por duas cavidades com mesmo comprimento, de quatro quilômetros. Como a velocidade da luz é constante, se a corrida pelos dois braços do interferômetro é um empate, significa que a luz viajou exatamente a mesma distância e os braços têm exatamente o mesmo comprimento. LIGO é ajustado para que os feixes dos dois braços interfiram destrutivamente neste caso, anulando um ao outro de forma que não há sinal nos detectores. Contudo, se um desses braços é esticado ou comprimido, digamos por uma onda gravitacional, a corrida não será um empate. O feixe viajando pelo braço mais curto ganhará a corrida e interferirá com o feixe viajando pelo braço mais longo, gerando um sinal.
Figura 1: um diagrama simplificado de um detector do LIGO. O painel acima, à esquerda, mostra a localização e orientação dos dois detectores LIGO, indicando o tempo de viagem na velocidade da luz entre os detectores. O painel acima, à direita, mapeia o ruído nos detectores de Livingston (L1) e Hanford (H1). O ruído é dominado por atividade sísmica a baixas frequências e ruído elétrico a altas frequências. Ruídos intensos e estreitos são causados por diversas fontes, como modos vibracionais do sistema de suspensão. [Figura 3 no artigo]O sinal detectado pelo LIGO em 14 de setembro, chamado GW150914, veio da fusão de dois buracos negros que tinham cerca de 36 e 29 vezes a massa do Sol. Durante o segundo antes de esses gigantes fundirem-se, a energia liberada em onda gravitacionais pelo sistema foi dez vezes maior que a energia liberado por todas as estrelas no universo observável! Contudo, como o espaço-tempo é muito “rígido”, e os buracos negros se fundiram a mais de um bilhão de anos-luz de distância, um evento tão poderoso como esses criou um minúsculo efeito no espaço ocupado pela Terra.
Sussurro do Universo
A intensidade dos sinais detectados pelo LIGO é dada em uma quantidade adimensional chamada strain, algo como tensão, que é essencialmente a mudança em comprimento do braço do interferômetro, dividida pelo próprio comprimento do braço. LIGO pode detectar sinais equivalentes a uma mudança 10000 vezes menor que a largura de um próton nos seus braços de 4 km. Para outra perspectiva do quão pequena é essa mudança, se o comprimento dos braços fosse na verdade a distância entre a Terra e o Sol, de aproximadamente 150 milhões de quilômetros, a tensão seria tão pequena quanto um átomo de hidrogênio! Durante os 0.2 segundos em que esteve na banda de frequências acessível ao LIGO, GW150914 atingiu uma tensão máxima de .
Figura 2: GW150914 observado pelos detectores em Hanford (coluna à esquerda) e em Livingston (coluna à direita). Os painéis no topo mostram a tensão medida em cada um dos detectores. A segunda linha mostra a tensão na banda 35-350 Hz (excluindo altas e baixas frequências), uma forma de onda para um sistema com parâmetros consistentes com GW150914 (linha sólida) obtida por relatividade numérica, e as regiões de 90% de confiança para duas formas de onda reconstruídas (em cinza). A terceira coluna mostra o ruído residual depois de subtraído o sinal observado da forma de onda filtrada obtida por relatividade numérica. [Figura 1 do artigo]Já que o LIGO precisa ser sensível a esses minúsculos sinais de ondas gravitacionais, é também suscetível a várias fontes de ruído instrumentais e ambientais. Os dados do LIGO são inerentemente dominados por ruído. Embora coerência entre os dois detectores seja usada como uma triagem inicial (sinais astrofísicos devem ser detectados em ambos detectores com um tempo de diferença igual ou menor do que o tempo de viagem da luz), técnicas sofisticadas de análise de dados ainda são necessárias para procurar pelos sinais astrofísicos reais. Um dos métodos utilizados envolve buscar por sinais autenticamente “altos”. Contudo, tentar encontrar um sinal de onda gravitacional é como tentar ouvir uma única conversa em uma festa muito barulhenta – ajuda bastante saber como a conversa deve soar. Essas forma de onda “modelo” são comparadas a dados do LIGO como outro meio de buscar por sinais astrofísicos reais. Ambas essas técnicas de busca recuperaram o sinal GW150914, fornecendo o nível de confiança de 5-sigma que é típico de descobertas científicas. Isso significa que a taxa com que um sinal análogo a GW150914 é criada por ruído é menor do que uma em 203000 anos!
Decifrando o sinal
Utilizando a forma de onda detectado pelo LIGO e formas de onda obtidas numericamente, as propriedades do sistema binário de buracos negros foram estimadas. As formas de onda dos buracos negros em fusão dependem de 15 parâmetros intrínsecos (como rotação, massa, etc.) e extrínsecos (localização no céu, inclinação, etc.). Técnicas de estatística bayesiana permitiram estimar as massas dos buracos negros em ~36 e ~29 massas solares, o redshift em que ocorreu a fusão em 0.09, a massa final do buraco negro fundido em 62 massas solares (as três massas solares a menos são o que foi liberado na forma de ondas gravitacionais durante a fusão) e a localização do evento no céu.
Figura 3: a localização estimada derivada computacionalmente. As diferentes cores marcam aumentos em 10% na probabilidade de que GW150914 tenha vindo dessas regiões. Note que não esperamos ver uma contrapartida eletromagnética para a fusão de dois buracos negros. [Figura obtida a partir da figura 4 do artigo complementar Properties of the binary black hole merger GW150914.]Além de consistir na primeira detecção direta de ondas gravitacionais, GW150914 é carregado de implicações astrofísicas. Esse evento fornece a primeira evidência observacional de sistemas binários de buracos negros, e nos diz que esses sistemas podem fundir-se em tempos menores que a idade do Universo. GW150914 também fornece a primeira evidência de que buracos negros com essas massas existem na natureza; antes dessa descoberta, evidência indireta de buracos negros de massa solar apenas revelava massas até ~20 massas solares. Como um bônus, GW150914 forneceu um teste único para teoria centenária de Einstein (que passou com honras), bem como foi o primeiro teste verdadeiro do regime de campo forte da relatividade geral.
Figura 4: imagens de um modelo de relatividade numérica (topo), a tensão da onda gravitacional (meio) e a velocidade relativa e separação entre os buracos negros (inferior) para GW150914 como função do tempo. A pequena distância entre os objetos antes de fusão (que é obtida da forma de onda) indica que são de fato buracos negros. [Figura 2 no artigo]A descoberta de GW150914 representa resultados do primeiro mês da primeira série de observações da forma avançada do LIGO, que durou um total de quatro meses. Durante esse primeiro mês, outro possível sinal foi encontrado: LVT151012. Embora muito mais fraco que GW150914 e não significativo o suficiente para ser declarado uma detecção, é possivelmente astrofísico e resultando da coalescência de dois buracos negros. Da detecção de GW150914 e possível detecção de LVT151012 durante o primeiro mês, a taxa de fusão de buracos negros para sistemas análogos a esse pode ser estimada. Incluindo ambos GW150914 e LVT151012, a taxa de fusão para essas classes de buracos negros é da ordem de ~6-400 por giga-parsec cúbico por ano.
Por toda a existência da humanidade, a única maneira com que estudamos o Universo foi por meio da luz. Esta descoberta nos deu um novo “sentido” para explorar o Universo, de certa forma permitindo que ouvíssemos o cosmos pela primeira vez. Ondas gravitacionais permitirão que sondemos outros objetos, eventos e épocas inacessíveis à luz, como a fusão de buracos negros ou o primeiro segundo após o Big-Bang. Com mais detecções, podemos restringir mais a taxa com que a fusão de binárias compactas ocorre, aprender sobre os ambientes em que elas ocorrem e testar nossos modelos para prever sua formação. Além disso, quando detectores de ondas gravitacionais mais avançados juntarem-se à rede, a triangulação das fontes de ondas gravitacionais no céu vai melhorar drasticamente, aumentando as chances de detectarmos uma contrapartida eletromagnética para sondarmos esses sistemas por múltiplos canais. Nem é preciso dizer que esta detecção será uma das mais significantes descobertas da física moderna, já que abriu um domínio inteiro do Universo para explorarmos!
Astropontos 
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