Ondas gravitacionais vão tornar o extremo do universo visível:

A primeira detecção direta de ondas gravitacionais no dia 14 de Setembro de 2015 provou que objetos massivos podem causar ondulações no espaço-tempo, confirmando a previsão chave da Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein. A segunda detecção, feita no dia 26 de Dezembro de 2015 e anunciada neste mês de Junho, fortemente definiu as ondas gravitacionais como uma nova janela para observar o universo. Mas o que é ainda mais emocionante são as detecções que ainda estão por vir: Os milhares de sinais que devem em breve ser observados pelo LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) e os experimentos feitos pelo Virgo. Eles vão transformar o nosso entendimento de buracos negros, estrelas de nêutrons, supernovas, e talvez até a origem e destino do cosmos.

Esses dois eventos anunciados até então têm significativamente aumentado o número de buracos negros conhecidos, e têm demonstrado que buracos negros podem orbitar muito próximo uns dos outros e violentamente se fundirem uns com os outros dentro do tempo de vida do universo; tais fusões foram a causa inferida dos sinais detectados no dia 14 de Setembro e 26 de Dezembro.

Baseando-se nos dados desses dois eventos, meus colegas do LIGO e as colaborações do Virgo têm testado a Relatividade Geral com novas maneiras, bastante fora dos nossos limites terrestres.  E nós temos mostrado que buracos negros colidem-se mais frequentemente do que antes se pensava, e isso tem levado alguns pesquisadores a especularem que buracos negros devem ser suficientemente abundantes para serem qualificados como parte da matéria escura.

Assim como qualquer nova ferramenta de observação, as mais importantes descobertas feitas pelos novos detectores certamente serão inesperáveis. Mas nós também temos uma boa ideia das coisas maravilhosas que o universo gravitacional vai nos contar.

Primeiramente, nós podemos ter certeza de que iremos detectar muito mais fusões de pares de buracos negros similares aos dois que já foram detectados. Os instrumentos atuais são aproximadamente três vezes menos efetivos do que o total potencial deles. No final do potencial deles, os dois detectores LIGO (Em Louisiana e Washington) e Virgo (perto da cidade Pisa na Itália) vão registrar de dez a centenas de eventos relacionados a buracos negros por ano. Essa grande amostra vai nos proporcionar um entendimento detalhado de buracos negros, e vai permitir astrônomos caracterizarem a população deles por todo o universo, formando mais teorias de como eles se formam.

Nós também esperamos observar fusões de estrelas de nêutrons, os restos ultra-densos de estrelas que eram pequenas demais para formarem buracos negros. Enquanto buracos negros são tão extremos que são impressionantemente simples (ou seja, são completamente descritos pela massa, rotação e carga), estrelas de nêutrons mostram o lado mais bizarro e complexo do universo. Elas contêm mais massa do que o nosso Sol, comprimida numa esfera do tamanho de Manhattan e com campos magnéticos que podem ser mais de um bilhão de vezes mais fortes do que o da Terra. Nós não entendemos como a matéria nesta densidade se comporta, e nem como os campos magnéticos delas são sustentados. O que de fato sabemos é que pares de estrelas de nêutrons algumas vezes orbitam uma a outra numa trajetória espiral. Os resultados das ondas gravitacionais vão nos dar, pela primeira vez, uma imagem desobstruída de como a matéria de estrelas de nêutrons se comporta.

Do contrário de buracos negros, estrelas de nêutrons emitem radiação eletromagnética e outras formas de radiação. Fusões de estrelas de nêutrons podem produzir um rápido pico de emissão de raios gama ou raios-X, seguidamente de um brilho fosforescente que pode durar dias ou semanas. Com o LIGO e Virgo operando juntos, nós podemos localizar a posição de colisões de estrelas de nêutrons com uma margem de precisão de alguns graus no céu. Telescópios ópticos podem então procurar nesta parte do céu por um crescente e decrescente sinal emitido por materiais radiativos ejetados durante a fusão.  Essas observações simultâneas de sinais gravitacionais e eletromagnéticos poderiam resolver muitos longos mistérios na astronomia, tal como a natureza dos picos energéticos de raios gama conhecidos como Gamma-ray Bursts, e a origem de elementos pesados, que inclui muito do ouro achado na Terra.

Ondas gravitacionais podem também nos mostrar o que acontece no núcleo de uma supernova, pelo qual ocorre quando o núcleo de uma estrela massiva esgota o seu combustível nuclear e colapsa através de sua imensa massa. Isso é uma questão em aberto na astrofísica, porque o mecanismo causador da explosão está escondido profundamente dentro da estrela. Ondas gravitacionais a partir da supernova vão viajar diretamente do centro da estrela para os nossos detectores. Supernovas são excepcionalmente raras, porém; a ultima que ocorreu perto da nossa galáxia foi em 1987, e a ultima que ocorreu na nossa galáxia, que nós sabemos, foi há 400 anos. Cientistas de ondas gravitacionais vão precisar de sorte e paciência.

Olhando para uma escala ainda maior, ondas gravitacionais causadas por fusões de estrelas de nêutrons vão nos proporcionar uma nova maneira de estudar a expansão do universo. A nossa visão atual do cosmos, do qual o universo está se expandindo a partir do Big Bang e está acelerando através de uma invisível ‘energia escura’, é fortemente baseada em observações de supernovas em galáxias distantes.  Ondas gravitacionais vão revelar informações complementares: A intensidade de sinais gravitacionais nos diz a distância do evento, enquanto a aparência óptica de uma fusão revela o quanto a sua luz tem sido esticada pela expansão do espaço-tempo em seu caminho até a Terra. Essas duas partes de informação define a taxa com que o universo está se expandindo. Medir esta taxa independentemente vai nos proporcionar uma importante checagem de nossos modelos cosmológicos.

Finalmente, LIGO e Virgo podem detectar um fraco ruído de ondas gravitacionais de fundo que permeiam todo o universo, constantemente oscilando todo o espaço vazio. Muitas teorias preveem uma energia gravitacional onipresente produzida tanto a partir de eventos astrofísicos tais quais buracos negros ou a partir de um rápido episódio de inflação cósmica imediatamente após o Big Bang. Se o ruído é suficientemente alto, isso vai surgir como um sinal correlacionado entre detectores separados tais quais LIGO e Virgo. Medir as ondas gravitacionais de fundo seria um conquista dramática.

Nos próximos anos, o progresso na ciência de ondas gravitacionais vai ser limitado apenas pela sensibilidade dos detectores. Com cada um com o seu desempenho,  é provável que nós iremos descobrir eventos a partir de novos tipos de fontes. Eventualmente, talvez depois de um grande investimento internacional em novas instalações, o progresso neste campo de estudo vai ser limitado apenas pela vontade do universo em gerar sinais raros e exóticos.

LIGO e Virgo já têm realizado uma façanha incrível. Considere as propriedades do evento de 14 de Setembro: O sinal foi gerado por dois objetos, cada um com uma massa de aproximadamente 35 vezes a do nosso sol, presos numa orbita em decaimento do tamanho da Suíça e circulando um ao outro 50 vezes por segundo. A energia envolvida foi astronomicamente incrível, brevemente excedendo a energia produzida por todas as estrelas do universo, mas o sinal que alcançou a Terra foi uma das coisas mais imperceptíveis que a nossa espécie já mesurou. Enquanto detecções de ondas gravitacionais fazem a transição de descoberta sensacional para ferramenta de observação rotineira da astrofísica e cosmologia, a invisível oscilação do espaço-tempo vai, ironicamente, iluminar partes do universo que costumavam ser inteiramente escuras até agora.

Fonte: https://aeon.co/ideas/gravitational-waves-will-bring-the-extreme-universe-into-view

[Tradução e Adaptação: @jonathantorres19]