Estamos um passo mais próximos de detectar ondas gravitacionais no espaço

Ondas gravitacionais são ondulações no tecido do espaço-tempo previstas por Albert Einstein, e causadas pelos eventos mais energéticos do universo – supernovas, fusões de buracos negros e afins. Este ano, cientistas confirmaram que elas realmente existem, graças à detecção direta realizada pelo experimento LIGO.

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Mas é fácil esquecer que o LIGO não é o único a realizar essa tarefa: a era da astronomia de ondas gravitacionais está apenas começando. Há todo um espectro dessas ondas, assim como existem muitos tipos diferentes de luz. Portanto, há outras colaborações para caçar ondas em outras frequências.

A colaboração LISA, da Agência Espacial Europeia (ESA) – que prepara um observatório espacial de ondas gravitacionais – está um passo mais perto de se tornar realidade, após uma fase bem-sucedida de testes. Os resultados foram publicados .

Ondas no espaço

Lançado ao espaço em dezembro, o LISA Pathfinder é a primeira fase planejada de uma missão para detectar ondas gravitacionais. Embora seja um interferômetro espacial, o LISA Pathfinder não foi realmente projetado para detectar ondas gravitacionais. Pelo contrário, ele é um protótipo de observatório para testar as tecnologias de detectores necessários para a futura missão LISA (Antena Espacial de Interferômetro a Laser).

“O LISA preenche a lacuna na frequência de ondas gravitacionais entre pulsares e o LIGO, por isso é absolutamente crítico para descrever o espectro completo de ondas gravitacionais”, diz Maura McLaughlin, da West Virginia University, ao Gizmodo. Ela não faz parte da missão LISA Pathfinder, mas estuda ondas gravitacionais em frequências muito baixas. Ela completa: “se não tivermos o LISA, seria como ter telescópios de rádio e de raios gama, mas não infravermelhos ou ópticos. Precisamos de todos eles para obter a imagem completa de fontes espaciais.”

Para detectar ondas gravitacionais, físicos tentam medir pequenas variações na distância entre dois objetos separados por uma quantidade conhecida. Assim, o LISA Pathfinder usa interferômetros laser para medir com precisão as posições relativas de dois cubos de ouro-platina de 4,5 cm em queda livre.

Alojados em caixas de eletrodos e separados por 40 cm de distância, os objetos de teste estão protegidos do vento solar e de todas as outras forças externas, para que os pequenos movimentos causados ​​por ondas gravitacionais possam ser detectados.

Câmaras de armazenamento de eletrodos do LISA Pathfinder, onde as posições de massas de teste serão precisamente monitoradas. Crédito da imagem: CGS SpA

A nave espacial LISA Pathfinder tem propulsores que disparam quando necessário para garantir que os cubos permaneçam em queda livre, sob a influência da gravidade e nada mais. Mesmo a luz solar pode perturbar esse movimento de queda livre o suficiente para abafar quaisquer sinais de ondas gravitacionais.

Testes bem-sucedidos

Os cientistas da missão passaram os últimos meses trabalhando para entender os limites na precisão das medições – incluindo forças eletrostáticas, raios cósmicos, e até mesmo o movimento aleatório das moléculas dentro dos próprios cubos de teste.

Os resultados superaram as expectativas: os dois cubos ficaram em queda livre e quase imóveis em relação um ao outro, e os cientistas puderam determinar a distância com altíssima precisão – chegando a um nível menor que o diâmetro de um átomo, e cinco vezes melhor do que a meta para o LISA Pathfinder, de acordo com Martin Hewitson, do Instituto Albert Einstein. É uma prova de conceito muito importante, demonstrando que é possível implementar um observatório de ondas gravitacionais no espaço. McLaughlin diz que esta é “uma conquista espetacular”, acrescentando: “este resultado mostrou que o principal desafio foi superado. Agora seria muito surpreendente se o LISA não alcançasse sua sensibilidade total projetada”.

Modelo computacional das câmaras experimentais do LISA Pathfinder (caixas douradas) e sistema de interferômetro laser (centro). Via ESA.

Uma missão maior

No futuro, a ESA planeja construir um grande observatório espacial que faz medições precisas sobre objetos de teste separados por centenas de milhares de quilômetros. A missão completa LISA será composta por três naves espaciais em uma configuração triangular, cada uma contendo dois cubos de ouro-platina em queda livre. Conceitualmente, ela vai funcionar como o LIGO, usando lasers de alta potência para medir mudanças minúsculas na distância entre esses cubos de teste. Mas para detectar ondas gravitacionais em frequências muito baixas, as três naves espaciais LISA precisam ficar ainda mais afastadas do que os detectores do LIGO na Terra -eles estão separados por 3.000 km em duas cidades nos EUA. O LISA também deve ser mais capaz de detectar fontes direcionais de ondas gravitacionais. Quais tipos de eventos o LISA poderia detectar? Stefano Vitale, da Universidade de Trento e pesquisador principal na missão LISA Pathfinder, diz que está interessado em capturar sinais de um buraco negro pequeno caindo em um buraco negro supermassivo. O observatório LISA permitiria aos físicos mapear precisamente o campo gravitacional em torno de um buraco negro, assim testando as previsões da relatividade geral num grau sem precedentes. O LISA Pathfinder foi lançado em dezembro de 2015, mas a ESA espera lançar a missão integral LISA só em 2034. []

Imagem por Agência Espacial Europeia