As "ondulações" do espaço-tempo, geradas por objetos massivos a acelerar intensamente, por exemplo, na fusão de buracos negros ou estrelas de neutrões
Um novo mensageiro cósmico
As ondas gravitacionais são deformações do próprio espaço-tempo que se propagam à velocidade da luz. Foram previstas pela primeira vez por Albert Einstein em 1916, com base nas soluções das equações da relatividade geral, quando a distribuição de massa-energia acelera de forma desigual. Durante décadas, estas ondas pareceram demasiado fracas para serem detetadas pela humanidade. Tudo mudou em 2015, quando a Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria Laser (LIGO) detetou diretamente ondas gravitacionais provenientes da fusão de buracos negros. Esta conquista é considerada uma das maiores realizações da astrofísica moderna.
Ao contrário da radiação eletromagnética, que pode ser absorvida ou dispersa pela matéria, as ondas gravitacionais viajam quase sem impedimentos através da matéria. Elas transmitem de forma imparcial informação sobre os eventos cósmicos mais violentos – colisões de buracos negros, fusões de estrelas de neutrões, talvez até colapsos de supernovas, complementando o arsenal de observações da astronomia tradicional. Essencialmente, os detectores de ondas gravitacionais funcionam como uma "audição" sensível às vibrações do espaço-tempo, revelando fenómenos invisíveis aos telescópios convencionais.
2. Fundamentos teóricos
2.1 Equações de Einstein e pequenas perturbações
A Relatividade Geral baseia-se nas equações de campo de Einstein, que relacionam a geometria do espaço-tempo gμν com o tensor de energia-momento Tμν. Longe de corpos massivos (no vácuo) aplica-se Rμν = 0, pelo que o espaço-tempo é localmente plano. Contudo, tratando o espaço-tempo como quase plano com pequenas perturbações, obtêm-se equações de onda:
gμν = ημν + hμν,
aqui ημν é a métrica de Minkowski, e hμν ≪ 1 são pequenas correções. A solução linear das equações de Einstein mostra que hμν propaga-se à velocidade da luz – estas são as ondas gravitacionais.
2.2 Polarizações: h+ e h×
De acordo com a relatividade geral, as ondas gravitacionais têm dois modos de polarização transversal, designados por "+" e "×". Ao passarem por um observador, as distâncias são periodicamente esticadas e comprimidas em direções perpendiculares. Em comparação, as ondas eletromagnéticas têm oscilações elétricas e magnéticas transversais, mas com uma rotação diferente (spin-2 para ondas gravitacionais vs. spin-1 para fotões).
2.3 Emissão de energia em binários
A fórmula do quadrupolo de Einstein mostra que a potência (energia por unidade de tempo) emitida sob a forma de ondas gravitacionais depende da terceira derivada temporal do momento quadrupolar da distribuição de massa. Movimentos esfericamente simétricos ou dipolares não geram ondas gravitacionais, pelo que, em binários onde objetos compactos massivos (buracos negros, estrelas de neutrões) orbitam um ao outro, o quadrupolo variável provoca uma emissão significativa de OG. A energia "escapa" do sistema, a órbita encolhe até à fusão final, emitindo uma onda gravitacional poderosa que pode ser detetada mesmo a centenas de megaparsecs.
3. Evidências indiretas até 2015
3.1 Pulsar binário PSR B1913+16
Muito antes da deteção direta, Russell Hulse e Joseph Taylor descobriram em 1974 o primeiro pulsar binário. A observação do encurtamento da sua órbita correspondia à perda de energia devido às ondas gravitacionais, conforme previsto pela relatividade geral, com uma margem de precisão muito elevada (~0,2% de erro). Foi uma confirmação indireta de que as OG realmente retiram energia orbital [1].
3.2 Outros pulsares binários
Outros sistemas (por exemplo, o "pulsar duplo" J0737–3039) confirmaram ainda mais a diminuição da órbita. A concordância destas observações com a fórmula do quadrupolo da RG assegurou que as ondas gravitacionais existem, embora não tivessem sido diretamente detetadas.
4. Deteção direta: LIGO, Virgo e KAGRA
4.1 Conquista do LIGO (2015)
Após décadas de desenvolvimento, os interferómetros Advanced LIGO nos estados de Washington (Hanford) e Louisiana (Livingston) captaram a primeira onda gravitacional direta a 14 de setembro de 2015 (anunciada em fevereiro de 2016). O sinal da onda, designado GW150914, originou-se da fusão de buracos negros com cerca de 36 e 29 massas solares a aproximadamente 1,3 mil milhões de anos-luz. Em órbita "girando", emitiram um "pío" na amplitude e frequência da onda, culminando na fusão final [2].
Esta deteção confirmou:
- Existem binários de buracos negros no Universo local.
- A forma da onda coincide com os modelos numéricos da relatividade.
- A rotação dos buracos negros e a massa final correspondem à teoria.
- Validade da RG no regime de campo extremamente forte.
4.2 Outros detectores: Virgo, KAGRA, GEO600
Virgo (Itália) juntou-se completamente às observações em 2017. Em agosto do mesmo ano, a deteção tripla GW170814 de outra fusão BH-BH permitiu uma melhor localização do evento no céu e a verificação das polarizações. KAGRA (no Japão), instalado no subsolo e utilizando espelhos criogénicos, visa reduzir os ruídos, complementando assim a rede global. Vários detectores em locais diferentes refinam significativamente a determinação da fonte celeste e melhoram a possível busca eletromagnética.
4.3 Fusão BNS: astronomia multissinal
Em agosto de 2017, a observação do GW170817 de uma fusão de duas estrelas de neutrões pelo LIGO–Virgo também detectou um surto de raios gama cerca de 1,7 s depois, assim como os remanescentes visíveis/infravermelhos da quilonova. Foi a primeira observação multissinal a identificar a galáxia anfitriã (NGC 4993), demonstrar que as fusões produzem elementos pesados (processo r) e confirmar ainda mais que as ondas gravitacionais viajam a uma velocidade próxima da luz. Isto abriu uma nova era na astrofísica, combinando dados gravitacionais com observações eletromagnéticas.
5. Fenómenos e consequências
5.1 Fusões de buracos negros
Fusões de buracos negros (BBH) frequentemente não emitem luz, se não houver gás, mas o sinal gravitacional revela as massas, spins, distância e a fase final do anel. Dezenas de eventos BBH descobertos mostram a distribuição de massas (~5–80 massas solares), spins e a velocidade de aproximação orbital. Isto ampliou significativamente o conhecimento das populações de buracos negros.
5.2 Colisões de estrelas de neutrões
Colisões de estrelas de neutrões (BNS) ou BH–NS podem causar breves explosões de raios gama, quilonovas, emissão de neutrinos, aumentando o conhecimento sobre matéria nuclear em condições de densidade muito elevada. A origem é que a fusão produz elementos pesados pelo processo r. A onda gravitacional mais o sinal eletromagnético fornecem dados valiosos sobre a nucleossíntese.
5.3 Teste da relatividade geral
A forma das ondas gravitacionais permite testar a relatividade geral em condições de campo forte. Até agora, as observações não mostram desvios da RG – nem radiação dipolar, nem vestígios de grávitons massivos. Espera-se que dados de maior precisão no futuro permitam detectar correções subtis ou confirmar novos fenómenos. Adicionalmente, as frequências de anel após a fusão de BH testam o teorema do "buraco negro sem cabelo" (caracterizado apenas por massa, spin e carga).
6. Astronomia futura das ondas gravitacionais
6.1 Detectores terrestres em constante aprimoramento
LIGO e Virgo, assim como KAGRA, ao melhorarem a sensibilidade, – o Advanced LIGO pretende alcançar cerca de ~4×10-24 de deformação a 100 Hz. O GEO600 apoia a I&D. As próximas campanhas de observação (O4, O5) podem detectar centenas de fusões BH–BH por ano e várias dezenas de fusões NS–NS, formando um "catálogo" que revelará a frequência das fusões, distribuição de massas, spins e talvez fenómenos inesperados.
6.2 Interferómetros espaciais: LISA
LISA (Laser Interferometer Space Antenna), planeada pela ESA/NASA (~2030), deverá detectar ondas de frequência mais baixa (mHz) provenientes de pares de buracos negros supermassivos, fusões de relação de massa extremamente desigual (EMRI) e talvez cordas cósmicas ou vestígios da inflação. O braço de 2,5 milhões de km no espaço permitirá observar fontes inacessíveis aos detectores terrestres (de frequência mais alta), complementando assim os atuais intervalos do LIGO/Virgo.
6.3 Redes de temporização de pulsares
A frequência nanohertz é estudada por redes de temporização de pulsares (PTA) – NANOGrav, EPTA, IPTA, medindo pequenas correlações nos tempos de chegada dos pulsares. Procuram detectar o fundo estocástico originado por pares de buracos negros supermassivos nos núcleos galácticos. Os primeiros sinais possíveis podem já estar a surgir, aguardando confirmações mais robustas. O sucesso completaria o espectro das ondas gravitacionais desde ~kHz até nanohertz.
7. Significado mais amplo na astrofísica e cosmologia
7.1 Formação de binários compactos
O catálogo de observações de ondas gravitacionais mostra como se formam pares de buracos negros ou estrelas de neutrões: como as vias de evolução estelar determinam a distribuição de massas e spins, se pertencem a binários, como a composição química influencia. Estes dados complementam a observação electromagnética, permitindo melhorar os modelos de populações estelares.
7.2 Investigação da física fundamental
Para além de testar a teoria da relatividade geral, as ondas gravitacionais podem impor restrições a outras teorias (ex.: se o gráviton tivesse massa, existiriam dimensões adicionais). Também permitem "calibrar" a escala de distâncias cósmicas (sirenas padrão), se conhecermos o desvio para o vermelho da fonte – um método independente para medir a constante de Hubble, possivelmente ajudando a resolver o atual problema da tensão de Hubble.
7.3 Estudos multissinais
Fusões de estrelas de neutrões (ex.: GW170817) combinam dados de ondas gravitacionais e electromagnéticos. No futuro será possível detetar neutrinos, se colapsos nucleares ou fusões BH–NS os emitirem. Este método multissinal fornece conhecimentos extraordinários sobre fenómenos explosivos, física nuclear, formação de elementos do processo r, formação de BH. É semelhante à lição neutrínica da SN 1987A, mas agora a um nível muito superior.
8. Cenários exóticos e possibilidades futuras
8.1 Buracos negros primordiais e o Universo inicial
Ondas gravitacionais do período inicial poderiam originar-se das fusões de buracos negros primordiais, da inflação cósmica ou de transições de fase na época de microssegundos. Detectores futuros (LISA, interferómetros terrestres de nova geração, medições de polarização do CMB) podem observar estes vestígios arcaicos, revelando a natureza inicial do Universo.
8.2 Objetos exóticos ou interação escura
Se existirem objetos exóticos (ex.: estrelas de bósons, gravastars) ou novos campos fundamentais, a forma das ondas das suas fusões pode diferir das dos buracos negros. Isso permitiria sentir uma física que ultrapassa a relatividade geral ou indica uma interação desconhecida com o "setor escuro". Até agora não foram encontradas anomalias, mas com o aumento da sensibilidade poderemos detectar fenómenos inesperados.
8.3 Possíveis surpresas
Historicamente, cada nova “janela” de observação cósmica revelou fenómenos inesperados e imprevistos – a rádio, raios X e astronomia gama ampliaram o nosso horizonte. A astronomia de ondas gravitacionais pode abrir descobertas até agora inimagináveis: desde explosões de cordas cósmicas até fusões compactas ainda desconhecidas ou exemplos de campos spin-2.
9. Conclusão
Ondas gravitacionais, que eram apenas um nuance teórico da relatividade de Einstein, tornaram-se um meio crucial para estudar diretamente os eventos mais energéticos e misteriosos do cosmos. A descoberta do LIGO em 2015 confirmou uma previsão centenária, iniciando a era da astronomia de ondas gravitacionais. Detecções subsequentes de fusões de buracos negros e estrelas de neutrões confirmaram as leis da relatividade e revelaram a diversidade cósmica de binários compactos inacessível apenas por observações eletromagnéticas.
Esta nova fonte cósmica de informação resulta em:
- Oportunidades rigorosas para testar a Relatividade Geral em campos fortes.
- Uma melhor compreensão da evolução estelar que conduz às fusões de buracos negros ou estrelas de neutrões.
- A abertura de sinergias multissinais com dados eletromagnéticos, ampliando a compreensão da astrofísica.
- Medições potenciais cosmológicas (constante de Hubble) e testes de física exótica (por exemplo, grávitons massivos).
Olhando para o futuro, interferómetros terrestres aprimorados, missões espaciais como LISA e conjuntos de temporização de pulsares expandirão as nossas capacidades de escuta tanto em frequência como em alcance, garantindo que a investigação das ondas gravitacionais continue a ser uma das áreas mais vibrantes da astrofísica moderna. A esperança de detectar fenómenos completamente novos, testar modelos existentes ou mesmo revelar propriedades fundamentais do espaço-tempo assegura que a física das ondas gravitacionais continuará a atrair a atenção dos cientistas por muito tempo.
Links e leitura adicional
- Hulse, R. A., & Taylor, J. H. (1975). “Descoberta de um pulsar num sistema binário.” The Astrophysical Journal Letters, 195, L51–L53.
- Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). “Observação de Ondas Gravitacionais de uma Fusão de Buracos Negros Binários.” Physical Review Letters, 116, 061102.
- Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2017). “GW170817: Observação de Ondas Gravitacionais de uma Inspiral de Estrela de Neutrões Binária.” Physical Review Letters, 119, 161101.
- Maggiore, M. (2008). Ondas Gravitacionais, Volume 1: Teoria e Experimentos. Oxford University Press.
- Sathyaprakash, B. S., & Schutz, B. F. (2009). “Física, Astrofísica e Cosmologia com Ondas Gravitacionais.” Living Reviews in Relativity, 12, 2.