O prof. Barish ganhou, juntamente com os profs. Rainer Weiss e Kip Thorne, o Prêmio Nobel de física em 2017 por contribuições decisivas ao detector LIGO e pela observação das ondas gravitacionais. 

A gravidade – de Newton a Einstein

Em 1687, o grande físico e matemático inglês sir Isaac Newton publicou seu famoso livro, os Principia [1], no qual apresentou sua teoria da gravidade – primeira teoria “universal” na ciência. A teoria de Newton provou que a força gravitacional entre dois objetos é proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separam. Isso soa complicado, mas significa que quanto mais massa o objeto tem e quanto mais perto um está do outro, maior é a força gravitacional que exercem reciprocamente. Embora isso seja verdade, descobriu-se que a maravilhosa teoria de Newton tem algumas limitações. 

Primeiro, você já se perguntou por que, quando uma maçã cai de uma árvore, ela cai e não sobe? Quando você pula, por que volta à Terra em vez de voar para cima? A teoria de Newton, realmente, não responde a essas questões simples. Ela só nos diz a quantidade de força gravitacional que dois objetos exercem um sobre o outro, como a força entre a maçã e a Terra ou entre você e a Terra. A teoria de Newton não considera a direção da força entre os objetos (aproximando-se ou afastando-se um do outro) nem, para começar, explica de onde vem a gravidade (Figura 1). 

A segunda limitação da teoria de Newton é um pouco mais difícil de entender. Imagine que o Sol desaparecesse de repente. Se ele desaparecesse agora, só depois de oito minutos veríamos que não estaria mais lá, pois a luz leva oito minutos para vir do Sol até nós. O mesmo vale para tudo mais que acontece no universo – leva tempo para que a informação viaje do evento até o observador. Assim, quando uma maçã cai de uma árvore, deveria levar algum tempo (mesmo que uma ínfima fração de segundo) para o observador saber o que realmente aconteceu (Figura 1).

A teoria de Newton não leva em consideração esse intervalo de tempo, de modo que, segundo sua teoria, o observador vê a maçã caindo exatamente no mesmo momento em que ela de fato cai. Sabemos que as coisas não são assim na realidade e, consequentemente, podemos concluir que falta algo na teoria de Newton. 

Como podemos resolver esses dois quebra-cabeças colocados pela teoria de Newton? Felizmente, mais de duzentos anos depois de Newton, o prestigioso físico Albert Einstein apresentou uma solução. Em 1915, Einstein publicou uma nova teoria da gravidade chamada Teoria da Relatividade Geral [2]. Essa teoria é uma maneira completamente diferente de ver a gravidade e nos ajuda a entender fatos que a de Newton não conseguiu explicar.

Não quer dizer que a teoria de Newton fosse errada ou inútil – quer dizer apenas que estava incompleta e que a teoria mais recente nos ajuda a entender as coisas de uma maneira mais profunda. A teoria de Einstein diz que, em torno de qualquer objeto maciço, o espaço e o tempo são afetados e ficam distorcidos ou curvados, o que gera uma atração em direção a esse objeto. 

Aqui está um modo simples para entender a ideia de gravidade de Einstein. Imagine colocar uma bola de gude em uma cama elástica plana. A bola de gude fica parada, não se move (Figura 2A). No entanto, se você colocar uma grande bola de boliche no centro da cama elástica, fazendo com que esta se curve, a bola de gude cairá em direção ao centro da cama (Figura 2B). A presença da pesada bola de boliche distorceu o espaço ocupado pela cama elástica de modo a mover a bola de gude em direção à bola de boliche, como se fosse atraída por ela. Isso é basicamente o que acontece na teoria da relatividade geral de Einstein. A presença de qualquer massa distorce o espaço ao seu redor de forma a criar uma atração entre as massas.

Essa imagem da gravidade responde à pergunta que Newton não poderia responder: por que (e como) a gravidade cria uma força atrativa e por que você cai em direção à Terra quando pula? O segundo problema, relativo ao tempo, também foi resolvido por Einstein porque sua teoria leva em conta a velocidade da luz. Na próxima seção, estudaremos um fenômeno importante e interessante chamado ondas gravitacionais, que a teoria de Einstein prevê. 

O que são ondas gravitacionais?

Uma das previsões da teoria da relatividade geral de Einstein é que a gravidade deve ter ondas – ondas gravitacionais [3, 4]. Uma maneira simples de pensar sobre ondas gravitacionais é imaginar-se em um lago calmo… e jogar uma pedra na superfície. A pedra faz barulho e cai no fundo do lago. Embora a pedra esteja agora repousando no fundo do lago, ainda é possível ver o efeito que ela produziu na superfície da água, onde as ondas se movem do centro para fora (Figura 3A). Essa é também a forma de visualizar o que acontece com as ondas gravitacionais. O que faz uma onda gravitacional não é a queda de uma rocha em um lago, mas sim o movimento ou colisão de objetos maciços no espaço (Figura 3B). 

Desafios e sucessos na detecção de ondas gravitacionais

Como a teoria de Albert Einstein previa a existência de ondas gravitacionais, físicos experimentais começaram a tentar detectá-las. Eu mesmo dediquei mais de vinte anos de minha vida ao desenvolvimento de métodos para detectá-las – e ainda estou fazendo isso. Acontece que, quando se trata de ondas gravitacionais, podemos ter tanto um grande desapontamento quanto uma grande sorte. É que, atualmente, ainda não conseguimos provocar ondas gravitacionais em nossos laboratórios, pois elas são muito fracas para serem detectadas com as técnicas de que dispomos. Trata-se de um desapontamento porque bons experimentos são aqueles que nos permitem entender tudo que está acontecendo e isso é feito com muito mais facilidade em laboratório. 

Por outro lado, fomos abençoados com uma grande sorte – a própria natureza cria ondas gravitacionais muito mais fortes do que qualquer outra que poderíamos produzir em laboratório. Isso significa que alguns eventos astronômicos que criam ondas gravitacionais – dois dos quais mencionaremos abaixo – podem ser captados com os detectores de última geração que possuímos. Embora esses sejam, no universo, os eventos astronômicos mais violentos e carregados de energia que conseguimos detectar, eles ainda ocorrem com frequência suficiente para serem estudados. Os eventos mais violentos no universo são as explosões e colisões de objetos extremamente pesados. 

Uma excelente fonte possível de ondas gravitacionais que podemos detectar é um tipo de explosão chamado supernova. Uma supernova acontece quando uma estrela maciça envelhece e colapsa rapidamente para dentro. O colapso cria um enorme aumento de temperatura e pressão, que pode intensificar a fusão nuclear, com os núcleos mais leves dos átomos se combinando em núcleos mais pesados e liberando energia. Isso pode desencadear o que é chamado de “fusão nuclear descontrolada”¹, a qual faz com que a estrela exploda com enorme energia, criando, de acordo com a teoria de Einstein, fortes ondas gravitacionais. 

Quando se trata de colisões no espaço, algumas das mais violentas ocorrem entre objetos maciços, como buracos negros e estrelas de nêutrons. Os buracos negros são os objetos mais maciços conhecidos no universo e têm uma atração gravitacional tão poderosa que “engolem” qualquer coisa que se aproxime deles, até mesmo as estrelas. Nada pode escapar de dentro dos buracos negros, nem mesmo a luz – daí o seu nome. Estrelas de nêutrons são restos de estrelas supergigantes que colapsaram, extremamente densas e constituídas principalmente de partículas subatômicas de carga neutra chamadas nêutrons. 

Em 2015, as primeiras ondas gravitacionais foram descobertas [5]. Exatamente dois anos depois, em 2017, juntamente com meus dois colegas, Rainer Weiss e Kip Thorne, ganhei o Prêmio Nobel de Física por essa descoberta. Em geral, passam-se pelo menos vinte anos antes que os cientistas recebam um Prêmio Nobel por seu trabalho, mas a descoberta das ondas gravitacionais foi de um significado especial, por razões que explicarei abaixo. Desde aquelas primeiras observações de ondas gravitacionais provenientes da colisão de dois buracos negros, detectamos outras colisões que produziram essas ondas – uma em 2017, entre duas estrelas de nêutrons [6], e outra em 2020, entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons [7]. 

Medição de ondas gravitacionais

Ao medir as ondas gravitacionais, na verdade medimos as distorções (ondulações) que elas criam no espaço e no tempo. Quando chegam aos nossos detectores, essas distorções são incrivelmente pequenas – muito menores que o tamanho de um único próton. Para medir sinais tão pequenos, nossos detectores devem ter uma precisão maior que 1/1.000 do tamanho de um próton!

Como você pode imaginar, isso é extremamente difícil de conseguir e exige o uso de uma técnica muito especial chamada interferometria. Não vou descrevê-la aqui em detalhes, mas a interferometria usa as interações entre feixes de laser para detectar contrações e expansões mínimas do espaço². A fim de fazer medições tão sensíveis, precisamos isolar nosso equipamento para que nada possa atrapalhá-las – até um pequeno movimento pode interferir no sinal que estamos procurando. Uma fonte de perturbação é o movimento da própria Terra, que treme enquanto gira em seu eixo (esse tremor é muito leve para ser percebido pelos humanos, mas é detectável por instrumentos sensíveis). Isso significa que precisamos deixar nosso instrumento de medição flutuando para que ele não capte os movimentos da Terra. 

Tem sido extremamente desafiador fabricar instrumentos para medir ondas gravitacionais. O instrumento que usamos é chamado LIGO, que significa Laser Gravitational-Wave Observatory (Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser). O LIGO tem alguns quilômetros de extensão (Figura 4). Para construí-lo e operá-lo foi necessário investir mais de um bilhão de dólares. Grande parte do meu trabalho ainda envolve o desenvolvimento de tecnologias que nos permitam obter maior sensibilidade na detecção de ondas gravitacionais, sem que movimentos indesejáveis estraguem nossas medições.

Muitas pessoas me perguntam se é frustrante trabalhar no mesmo problema por mais de vinte anos. Minha resposta é: absolutamente não! Eu me divirto muito resolvendo problemas ao longo do caminho e é um grande privilégio fazer algo que ninguém jamais fez antes. 

Ondas gravitacionais: a nova janela do universo

Então, qual é a importância das ondas gravitacionais quando tentamos entender o universo? Primeiro, elas nos ajudam a verificar que a teoria da relatividade geral de Einstein é de fato correta. Embora a teoria de Einstein pareça válida e muito precisa, ela não é a única que prevê ondas gravitacionais. Para confirmar que a teoria de Einstein está correta e que pode explicar o que a gravidade é e como funciona, precisamos medir detalhes das ondas gravitacionais detectadas. 

Segundo, as ondas gravitacionais podem nos ajudar a aprender novas coisas sobre o universo.  Pense nisso como uma nova era da astronomia, muito semelhante à que o famoso astrônomo Galileu Galilei iniciou há quatrocentos anos, quando fabricou um telescópio e observou o céu com ele. Podemos usar ondas gravitacionais para ver o universo de uma maneira completamente diferente da que estava antes à nossa disposição – usando um “telescópio gravitacional”.

O estudo das ondas gravitacionais nos ajuda a entender melhor como ocorrem eventos astronômicos cataclísmicos (muito poderosos), tais como colisões entre buracos negros e estrelas de nêutrons. Essa informação nos sugere ideias sobre eventos que ocorreram nas etapas iniciais da formação do universo e talvez nos ajude a encontrar respostas para perguntas intrigantes sobre nosso próprio planeta: por exemplo, de que modo elementos pesados como o ouro e a platina chegaram à Terra³. 

No entanto, ainda não sabemos muito bem como trabalhar com ondas gravitacionais e, por isso, combinamos as informações que obtemos ao medir a gravidade com dados já fornecidos por telescópios. Isso nos permite construir uma imagem de eventos cósmicos que vai muito além do que poderíamos entender sem o uso de ondas gravitacionais. No futuro, à medida que melhorarmos a detecção de ondas gravitacionais, esperamos ver fenômenos cósmicos usando apenas elas. Vivemos em uma época muito emocionante da cosmologia, pois nossa capacidade de detectar ondas gravitacionais abre uma nova janela para os eventos cosmológicos, o que nos ajudará a entender melhor nosso universo. 

Recomendações para mentes jovens

Uma das lições que aprendi na vida foi a importância de levar a sério os próprios sonhos e tentar realizá-los. Seus sonhos para o futuro dizem muito sobre o que você deseja fazer na vida – ser um físico ou um artista ou apenas escolher algo agradável, como viajar ou cultivar um hobby de que goste. Você não precisa ter sucesso em tudo que sonhar, mas seus sonhos lhe apontam os caminhos a seguir. 

Outra grande lição aprendida por mim é que tudo que fizermos na vida deve ser inspirado por uma palavra: curiosidade. Os jovens são naturalmente muito curiosos e você deve preservar sua curiosidade, não permitindo que ninguém a diminua – nem seus professores, nem seus pais nem qualquer outra pessoa. Portanto, meu conselho é aproveitar sua curiosidade, se divertir, seguir seus sonhos e ignorar tudo que possa limitar seu entusiasmo. 

Para aqueles que se interessam por ciência, ela pode ser muito divertida. Não há nada melhor a fazer do que se dedicar a algo de bom, se divertir e ganhar a vida com isso. Em meu caso, a ciência é uma ocupação realmente boa. Mas você deve se lembrar de que o fracasso faz parte da ciência, de que nem todo empreendimento logra êxito… e de que o fracasso às vezes é uma coisa boa. Estar na vanguarda da ciência, fazendo algo que nunca foi feito antes, não raro causa frustração. Todos os dias, você se verá em uma situação em que realmente não saberá se vai progredir (ou até mesmo fazer uma nova descoberta) ou se chegará a algo que não funcione. Para pessoas como eu, o desconhecido contribui para a diversão que é fazer ciência! 

Glossário

Gravidade: Força que atrai objetos um para o outro. 

Ondas gravitacionais: Perturbações no espaço e no tempo, resultantes do movimento de objetos maciços, que espalham se como ondas, à velocidade da luz. 

Supernova: Estrela maciça que envelhece, fica sem combustível, se resfria e colapsa para dentro. Isso produz uma enorme quantidade de energia, desencadeando fusão nuclear que provoca uma explosão violenta. 

Fusão nuclear: Reação pela qual os átomos do núcleo se fundem para criar um núcleo mais pesado, que libera uma grande quantidade de energia para o ambiente circundante. O calor e a luz do Sol resultam da fusão nuclear. 

Buracos negros:  Os objetos mais maciços conhecidos no universo, cuja gravidade é tão forte que nada, incluindo a luz, pode escapar deles. 

Estrelas de nêutrons: Restos de estrelas supergigantes que colapsam quando ficam sem combustível. Normalmente, têm apenas 10 km de diâmetro e são extremamente densas. 

Próton: Partícula carregada positivamente que integra o núcleo dos átomos. Os prótons têm menos de um bilionésimo da espessura de um fio de cabelo humano. 

Interferometria: Técnica de medição que usa feixes de laser para detectar fenômenos muito pequenos, como ondas gravitacionais em nosso caso. 

Conflito de interesses

O autor declara que a pesquisa foi realizada sem nenhuma relação financeira ou comercial capaz de gerar um conflito de interesses.

Agradecimentos

Agradeço a Noa Segev pela entrevista que serviu de base para este artigo e por sua coautoria.

Notas de rodapé

[1] Para saber mais sobre “descontrole”, ver Thermal Runaway.

[2] Para saber mais sobre “interferometria” e como ela é usada na detecção de ondas gravitacionais, ver: Interferometer Facts for Kids ou Gravitational Waves Explained Using Stick Figures. Para um estudo mais aprofundado das ondas gravitacionais, ver este livro introdutório. Para uma obra mais avançada sobre a relatividade geral e as ondas gravitacionais, ver este livro ou este.

[3] Sabemos que elementos mais pesados podem ser feitos de elementos mais leves graças à fusão nuclear nas estrelas. Entretanto, ao estudar o ciclo de vida das estrelas, percebemos que o elemento mais pesado criado dessa maneira é o ferro (número atômico 26). Depois que as estrelas queimam, gastando todo o seu ferro, colapsam e não produzem mais elementos pesados. Deve haver então outro mecanismo para produzir esses elementos. Por enquanto, a hipótese mais aceita é que os elementos mais pesados surgem da colisão de estrelas de nêutrons, detectável por meio das ondas gravitacionais (para mais informação, ver este artigo da MIT News). Achamos que, nos próximos anos, dados suficientes sejam coletados pelos detectores LIGO e Virgo para validar essa hipótese com certeza maior. 

Referências

[1] ↑ Newton, I. 1687. “Principia”, em The Principia: The Authoritative Translation and Guide, orgs. I. B. Cohen e A. Whiteman (University of California Press). DOI: 10.1525/9780520964815.

[2] ↑ Einstein, A. 1915. “Erklarung der Perihelionbewegung der Merkur aus der allgemeinen Relativitätstheorie.” Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss. 47:831–9.

[3] ↑ Einstein, A. e Rosen, N. 1937. “On gravitational waves.” J. Frank. Inst.223:43–54. DOI: 10.1016/S0016-0032(37)90583-0.

[4] ↑ Barish, B. C. e Weiss, R. 1999. “LIGO and the detection of gravitational waves.” Phys. Today 52:44–50. DOI: 10.1063/1.882861.

[5] ↑ Abbott, B. P., Abbott, R., Abbott, T. D., Abernathy, M. R., Acernese, F., Ackley, K. et al. 2016. “Observation of gravitational waves from a binary black hole merger.” Phys. Rev. Lett. 116:061102. DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.061102.

[6] ↑ Abbot, B. P., Abbott, R., Abbott, T. D., Abernathy, M. R., Acernese, F., Ackley, K. et al. 2017. GW170817: “Observation of gravitational waves from a binary neutron star inspiral.” Phys. Rev. Lett. 119:161101. DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.161101.

[7] ↑ Abbott, R., Abbott, T. D., Abraham, S., Acernese, F., Ackley, K., Adams, A. et al. 2021. “Observation of gravitational waves from two neutron star-black role coalescences.” Astrophys. J. Lett. 915:L5. DOI: 10.3847/2041-8213/ac082e. 

Citação

Barish, B. (2022). “Gravitaional waves – a new window on the universe.” Front. Young Minds. 10:858203. doi: 10.3389/frym.2022.858203.

Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos da Creative Commons Attribution License (CC BY). O uso, distribuição ou reprodução em outros fóruns é permitido, desde que o(s) autor(es) original(is) e o(s) proprietário(s) dos direitos autorais sejam creditados e que a publicação original nesta revista seja citada, de acordo com a prática acadêmica aceita. Não é permitido nenhum uso, distribuição ou reprodução que não esteja em conformidade com estes termos.