O Nobel de Física e as próximas fronteiras da cosmologia

Escrito em 03/10/2017

O Prêmio Nobel de Física de 2017 foi dado a Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne pela descoberta das ondas gravitacionais – na verdade, não só pela descoberta das ondas, mas também por terem dado contribuições fundamentais à construção do observatório que realizou a façanha, o Ligo (sigla de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), nos Estados Unidos. Se pelo menos um dos nomes não é estranho ao leitor, é porque Thorne ajudou o diretor Christopher Nolan a tornar o filme Interestelar o mais realista possível, e até escreveu um livro explicando a ciência do filme.

Há cerca de 100 anos, Albert Einstein publicou a chamada Teoria da Relatividade Geral, uma ideia revolucionária para a natureza das interações gravitacionais. Inicialmente, ele não acreditou na existência de ondas gravitacionais e chegou a tentar publicar um artigo no qual provava que não existiam. Felizmente, um revisor o advertiu de que havia erros de interpretação matemática no trabalho. Com o ego ferido, depois de protestar muito, Einstein acabou alterando os resultados e mostrou que as ondas gravitacionais poderiam existir – vaidade e sorte também são ingredientes importantes da ciência.

As ondas gravitacionais são semelhantes às ondas na água geradas por uma pedra lançada num lago. A perturbação da pedra é transmitida na forma de ondas, que se propagam à velocidade do som no líquido. Quanto mais longe da origem, menor a intensidade da onda. A gravidade age no próprio espaço-tempo e, portanto, as ondas gravitacionais se propagam com a velocidade da luz. Há muitas maneiras de gerar essas ondas; o mecanismo mais comum é movimentar um objeto com grande massa de forma rápida. Quanto mais rápido o movimento e mais massivo o objeto, maior a intensidade das ondas.

As primeiras tentativas de detectar ondas gravitacionais começaram na década de 60 do século passado, mas não funcionaram. O desafio para detectá-las é enorme: as ondulações chegam até nós com uma intensidade muito baixa. Os físicos tentaram medir as variações no comprimento de corpos de prova de laboratório, pois, à medida que a onda faz o tecido do espaço-tempo vibrar, encolhe e estica os objetos.

Em 1974, os astrônomos Joseph Taylor e Russel Hulse conseguiram fazer uma medição indireta de ondas gravitacionais. Observaram um par de estrelas de nêutrons em uma órbita muito pequena, girando em altíssima velocidade. Eles foram capazes de medir o período da órbita com grande precisão e mostraram que estava diminuindo. As estrelas estavam se aproximando, pois perdiam energia de rotação na forma de ondas gravitacionais. As ondas em si não foram detectadas, somente o seu efeito, que fechou perfeitamente com a previsão da Teoria da Relatividade Geral. Os dois cientistas ganharam o Nobel de Física de 1993 pela descoberta do objeto binário e pela primeira comprovação da existência de ondas gravitacionais. Mas ainda restava a importante tarefa de observá-las diretamente.

É aí que entra o trabalho gigantesco dos três laureados deste ano. Um trabalho em física teórica e experimental, mas também político. Eles lideraram milhares de cientistas na construção do Ligo. Por quase 50 anos, eles e vários outros cientistas angariaram verbas governamentais, promoveram estudos científicos e fizeram muito lobby para conseguir construir o Ligo e torná-lo capaz de fazer a detecção. Dedicaram a vida a esse projeto. O observatório consiste em dois tubos que foram um “L” – cada braço tem 4 quilômetros de comprimento. Pelos braços são lançados feixes de laser. Quando uma onda gravitacional passa pelo braço, as alterações no laser permitem que os físicos determinem o quanto o braço encolheu e esticou. Para evitar detecções espúrias, pois qualquer vibração pode causar efeitos semelhantes, há dois observatórios idênticos, separados por mais de 3 mil quilômetros. A detecção só é considerada verdadeira se acontecer simultaneamente nos dois observatórios e com o mesmo padrão.

Em 11 de fevereiro de 2016, os cientistas do Ligo sacudiram o mundo da física ao anunciar a primeira detecção de uma onda gravitacional. Análises indicaram que se tratou da fusão de dois buracos negros. Um processo como esse libera quantidades enormes de energia que puderam ser detectadas aqui na Terra. O evento durou menos de um segundo e aconteceu a aproximadamente 1,4 bilhão de anos-luz de nós. Ao chegar aqui, a onda fez o braço de 4 km do Ligo oscilar em alguns milionésimos do tamanho de um próton! Depois dessa detecção, foram feitas outras três. A mais recente, em agosto desse ano, e pela primeira vez também foi observada por outro observatório de ondas gravitacionais, o Virgo, que fica na Itália.

O Nobel de Física deste ano é, portanto, o segundo Nobel concedido para descobertas sobre ondas gravitacionais. Agora, no entanto, as potencialidades são muito maiores. Além de verificar a existência das ondas gravitacionais e testar a Teoria da Relatividade Geral, os astrofísicos contam com mais um instrumento de medição. Fusões de buracos negros não podem ser observadas com telescópios normais. Entender como os buracos negros se formam e evoluem é um dos grandes desafios da física atual. Para a cosmologia também abre-se uma nova era. Nos primeiros milhares de anos após o Big Bang, o universo era quente demais para que a luz se propagasse. Não conseguimos estudar esse momento com os telescópios usuais. Mas as interações gravitacionais eram intensas e se propagaram livremente pelo tecido do espaço-tempo. Os vestígios gravitacionais dessa era são o próximo alvo dos observatórios gravitacionais.