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INPE participa do LIGO, projeto que detectou as ondas gravitacionais previstas por Einstein
São José dos Campos-SP, 12 de fevereiro de 2016
Pela primeira vez, cientistas observaram ondulações no tecido do espaço-tempo, chamadas de ondas gravitacionais, chegando na Terra de um evento cataclísmico no universo distante. Isto confirma uma das principais previsões da teoria da relatividade de Einstein de 1915 e abre, sem precedentes, uma nova janela para o cosmos.
As ondas gravitacionais foram detectadas em 14 de setembro de 2015, às 6h51 (horário de Brasília) pelos detectores gêmeos do Observatório Interferométrico de Ondas Gravitacionais LIGO (do inglês Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), localizados em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington, nos Estados Unidos.
Cientistas do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), em São José dos Campos (SP), trabalharam na colaboração LIGO que inaugurou uma nova etapa para a ciência por meio da observação de ondas gravitacionais de buracos negros em colisão.
Ondas gravitacionais carregam informação acerca das suas origens dramáticas e sobre a natureza da gravidade que não podem ser obtidas de outra forma. Físicos concluíram que as ondas gravitacionais detectadas foram produzidas durante uma fração de segundo final da fusão de dois buracos negros que geraram um único e mais massivo buraco negro em rotação. Esta colisão de dois buracos negros tinha sido prevista, mas nunca observada.
Os observatórios LIGO são financiados pela Fundação Nacional de Ciências dos Estados Unidos (NSF, na sigla em inglês) e foram concebidos, construídos e são operados pelos institutos de Tecnologia da Califórnia e de Massachusetts (Caltech e MIT, em inglês). A descoberta, aceita para publicação no jornal científico Physical Review Letters, foi feita pela Colaboração LIGO (a qual inclui a Colaboração GEO600 e o Consórcio Australiano de Astronomia Interferométrica Gravitacional) e a Colaboração Virgo utilizando dados dos dois detectores LIGO.
“O sinal de ondas gravitacionais foram detectados quase simultaneamente (a frente da onda chegou primeiro no da Louisiana e 7,3 milésimos de segundo depois no de Washington) durante cerca de 0,2 segundos de duração. Ao analisar os dados registrados em ambos observatórios utilizando tempo GPS, para haver precisão na confirmação da coincidência dos dois sinais, concluiu-se que se tratava do sinal dos últimos 0,2 segundos de órbita de dois buracos negros com massas iguais, respectivamente, a 29 e 36 vezes a massa do Sol, seguida da colisão deles e formação de um único buraco negro de massa igual a 62 vezes a massa do Sol”, explica Odylio Aguiar, pesquisador que coordena os estudos sobre ondas gravitacionais no INPE. “Os dados indicam uma maior probabilidade para que este evento tenha ocorrido em uma região do céu no hemisfério sul, a uma distância aproximada de 1,3 bilhões de anos-luz da Terra (um ano-luz é a distancia que a luz percorre em um ano, com a velocidade de 300 mil km/s)”.
Odylio Aguiar e os demais pesquisadores do INPE que participam do projeto LIGO são coautores do trabalho Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, publicado pela Physical Review Letters. Confira aqui o artigo.
De acordo com a relatividade geral, um par de buracos negros orbitando entre si perde energia através da emissão de ondas gravitacionais, fazendo-os se aproximarem gradativamente ao longo de bilhões de anos e bem mais rápido nos minutos finais. Durante a fração final de segundo, os buracos negros colidem um contra o outro com velocidade aproximadamente igual à metade da velocidade da luz e formam um buraco negro mais massivo, convertendo em energia uma porção da massa total do par, de acordo com a fórmula de Einstein E=mc2. No caso do sistema descoberto, cerca de três vezes a massa do Sol foram convertidas, de forma explosiva, em energia na forma de ondas gravitacionais. Foram estas ondas gravitacionais que o LIGO observou.
A existência de ondas gravitacionais foi demonstrada pela primeira vez por Russel Hulse e Joseph Taylor Jr., que descobriram em 1974 um sistema binário composto por um pulsar em órbita em torno de uma estrela de nêutrons. Ao longo dos anos seguintes eles constataram que a órbita do pulsar estava diminuindo lentamente por causa da perda de energia na forma de ondas gravitacionais. Pelo trabalho deles, Hulse e Taylor receberam o prêmio Nobel de Física de 1993. Este sistema descoberto por eles vai também se fundir, formando um único buraco negro, mas somente daqui a cerca de 300 milhões de anos.
“Com esta descoberta, fica confirmada por detecção direta a existência de ondas gravitacionais, a existência de buracos negros e a coalescência deles em sistemas binários (formados por dois deles). Tudo isto, coincidentemente cerca de 100 anos depois da apresentação da Teoria da Relatividade Geral por Einstein e da sua previsão da existência dessas ondas gravitacionais”, diz o pesquisador do INPE.
“Esta detecção inaugura uma nova era: o campo da astronomia de ondas gravitacionais é agora uma realidade”, declarou Gabriela Gonzalez, física da Universidade da Louisiana e porta-voz da colaboração científica LIGO durante o anúncio à imprensa nesta quinta-feira (11/2), em Washington.
O pesquisador do INPE informa que a antena Schenberg (detector brasileiro de ondas gravitacionais) será transferida para o Instituto neste ano. “Pretendemos melhorar a sua sensibilidade para poder detectar. Nas últimas corrida de outubro novembro de 2015 conseguimos chegar a um fator de 5 da sensibilidade de projeto a 5K. Também estamos em entendimentos com argentinos e mexicanos para a proposta de construção na América do Sul de um interferômetro subterrâneo e de espelhos resfriados, o qual entraria em funcionamento depois de 2030”, informa Odylio Aguiar.
Também participam do projeto LIGO no INPE os pesquisadores Marcos André Okada, César Augusto Costa, Márcio Constâncio Jr, Elvis Camilo Ferreira e Allan Douglas dos Santos Silva.
A pesquisa é realizada pela Colaboração Científica LIGO (LSC), um grupo de mais de mil cientistas de universidades espalhadas nos Estados Unidos e em 14 outros países. Mais de 90 universidades e institutos de pesquisa na LSC desenvolvem tecnologia de detecção e analisam dados; aproximadamente 250 estudantes são fortes membros contribuintes da colaboração.
A rede de detecção da LSC inclui os interferômetros LIGO e o detector GEO600. Da equipe do GEO participam cientistas do Instituto Max Planck de Física Gravitacional - Instituto Albert Einstein (AEI), da Universidade Leibniz Hannover, junto com parceiros da Universidade de Glasgow, da Universidade de Cardiff, da Universidade de Birmingham, de outras universidades no Reino Unido, e da Universidade das Ilhas Baleares na Espanha.
O Brasil na descoberta
Existem dois grupos no Brasil, ambos no estado de São Paulo, que participam oficialmente da LSC. O primeiro deles está na Divisão de Astrofísica do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), órgão do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) e conta com seis membros, e o outro no Instituto de Pesquisa Fundamental da América do Sul, filiado ao Centro Internacional de Física Teórica (ICTP), da UNESP, na cidade de São Paulo.
O grupo do INPE, dirigido por Odylio Aguiar e César Costa, trabalha no aperfeiçoamento da instrumentação de isolamento vibracional do LIGO, na sua futura operação com espelhos resfriados e na caracterização dos detectores, buscando determinar as suas fontes de ruído e a minimização dos seus efeitos nos dados coletados, permitindo que sinais de ondas gravitacionais fortes sejam mais facilmente localizados nos dados. Já o grupo da UNESP, dirigido por Riccardo Sturani, trabalha na modelagem e análise dos dados de sinais de sistemas estelares binários coalescentes.
Cooperação científica
O LIGO foi originalmente proposto como meio de detectar estas ondas gravitacionais nos anos 1980 por Rainer Weiss, professor de física, emérito, do MIT; Kip Thorne, Professor Richard P. Feynman de Física Teórica da Caltech, emérito; e Ronald Drever, professor de física, emérito, também da Caltech.
A pesquisa no Virgo é realizada pela Colaboração Cientifica Virgo, um grupo de mais de 250 físicos e engenheiros pertencentes a 19 laboratórios europeus diferentes, 6 do Centro Nacional de Pesquisa Científica (sigla CNRS em francês) na França, 8 do Instituto Nacional de Física Nuclear (sigla INFN em italiano) na Itália, 2 na Holanda com o Nikhef, o Instituto Wigner RCP na Hungria, o grupo POLGRAW na Polônia e o Observatório Gravitacional Europeu (sigla EGO em inglês), o laboratório que abriga o interferômetro Virgo, próximo de Pisa, na Itália.
A descoberta se tornou possível pelas capacidades aprimoradas do LIGO Avançado, uma versão aperfeiçoada do instrumento com uma sensibilidade muito maior que a primeira geração de detectores LIGO, permitindo um grande aumento do volume do universo pesquisado—e a descoberta de ondas gravitacionais durante a sua primeira corrida observacional. A Fundação Nacional de Ciências dos EUA lidera o suporte financeiro do LIGO Avançado. Organizações financeiras na Alemanha (Sociedade Max Planck), no Reino Unido (Conselho de Ciência e Facilidades Tecnológicas (sigla STFC em inglês) e na Austrália (Conselho Australiano de Pesquisa) também fizeram contribuições significativas ao projeto. Várias das tecnologias-chave que fizeram do LIGO Avançado tão mais sensível foram desenvolvidas e testadas pela colaboração GEO alemã-britânica. Recursos computacionais significativos vem sendo feitos pelo cluster Atlas do AEI, pelo laboratório LIGO, pela Universidade de Syracuse e pela Universidade de Wisconsin Milwaukee. Várias universidades projetaram, construíram e testaram componentes-chave para o LIGO Avançado: A Universidade Nacional Australiana, a Universidade de Adelaide, a Universidade da Flórida, a Universidade de Stanford, a Universidade Columbia de Nova York e a Universidade Estadual da Louisiana.
Clique aqui para saber mais sobre observação de ondas gravitacionais da fusão de um sistema binário de buracos negros.
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