DETECTORES DE ONDAS GRAVITACIONAIS COM PULSARES

Existem diferentes propriedades para nosso universo, sendo algumas visíveis e outras não. Albert Einstein, em 1916, afirmou que alguns dos processos mais destrutivos que ocorrem no Universo provocam ondas gravitacionais, que são ondas transversais que oscilam no espaço-tempo quando há colisões, fusões, e afins. Um exemplo são as colisões entre estrelas de nêutrons ultradensas e fusões de buracos negros. Essas ondas produzem uma pequena distorção, que foi detectada apenas em 2016 com o detector de ondas magnéticas do LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Entretanto, em 29 de junho deste ano, foram descobertas mais informações sobre esse novo campo.

A detecção de ondas gravitacionais se baseia no aproveitamento de sua característica de polarizações lineares puras, podendo, dessa maneira, possibilitar a construção de detectores adequados para medir essas ondas. Foi dessa forma que, em 1960, Joseph Weber publicou um modelo de detector funcional que consistia em uma barra maciça de alumínio em formato cilíndrico, de aproximadamente 1,5 m, com um alto grau de oscilação mecânica, ressonante em 1660 Hz. Esta barra era suspensa pela região central por uma haste metálica muito fina e forte, cujas extremidades eram presas a um arco de alumínio. Este, por sua vez, era apoiado a duas pilhas de blocos de aço e borracha e mantido dentro de uma câmara de vácuo de forma a deixá-la livre para oscilar, sem a influência de ruído sonoro ou sísmico. Em seu interior eram colocados cristais piezoelétricos em série a fim de transformar as energias vibracionais mecânicas em elétricas, podendo capturar, dessa maneira, as ondas gravitacionais. Esse método foi chamado de barras ressonantes.

Decorrido um período após essa invenção, passaram a ser usadas barras ressonantes criogênicas que consistiam de barras com 3 metros de comprimento e 60 cm de diâmetro mantidas resfriadas a temperaturas próximas a 4,2 K. Isso reduzia o ruído térmico (browniano). Devido a essa baixa temperatura, os transdutores de cristais piezoelétricos foram substituídos por supercondutores, aumentando, assim, a sensibilidade da frequência capturada.

As barras foram, posteriormente, substituídas por esferas ressonantes, mas agora com transdutores Mini-GRAIL. Mario Schenberg, o grande físico brasileiro, consegue, dessa maneira, aumentar a sensibilidade para detecção possível de ondas gravitacionais.

Por fim, foram usados interferômetros a laser semelhantes ao interferômetro Michelson-Morley. O princípio de detecção dos interferômetros se baseia na simples variação das distâncias relativas entre os espelhos, produzida pela passagem de uma onda gravitacional. O sinal é maximizado quando a onda gravitacional chega perpendicular ao plano que contém o interferômetro e com a polarização positiva, supondo que os braços estejam alinhados com as direções x e y, respectivamente.

Estes resultados foram apresentados em um conjunto de oito artigos científicos publicados, simultaneamente, no Astrophysical Journal Letters. Um desses artigos consistiu num “achado” que funciona quase como o sucessor do LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory): há uma detecção de frequências de ondas gravitacionais mais curtas (de 43 km a 10 mil km). A novidade veio com NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves),detectando frequências muito maiores.

O LIGO tem dois “braços” perpendiculares de 4 km, onde se dispara um laser, como indicado na figura abaixo. De acordo com as ondas gravitacionais passando pelo detector, há um encolhimento e estiramento dos braços de forma rápida. Essa mudança dos braços é inferior à dimensão de um único átomo. Entretanto, essa mudança seria suficiente para fazer uma diferença entre os feixes de laser, provando que o efeito realmente poderia ocorrer.

Agora, para que o NANOGrav funcionasse seria necessário um detector semelhante ao LIGO, porém, das dimensões de uma galáxia comparável à nossa, ou seja, algo fora de propósito. O método só funciona quando se detecta a frequência dos pulsares de milissegundos.

Pulsares assim tratam-se de um pulsar com um período de rotação na faixa de cerca de 1 a 10 milissegundos. A teoria mais crível para a origem dos pulsares de milissegundo é que tratam-se de estrelas de neutrôns velhas, de rotação rápida, que foram geradas através da acumulação de matéria de uma estrela companheira em um sistema binário próximo. Como apresentam períodos de rotação tão rápidos, servem como um tipo de relógio muito preciso.

Quando uma onda gravitacional passa, esses pulsares podem ser atrasados ou adiantados. Dessa forma, os pesquisadores do NANOGrav realizaram inúmeras observações e a coleta de dados se deu por longos 15 anos, realizadas em conjunto com grandes radiotelescópios e observatórios do planeta.

Com esses 15 anos de pesquisa foi detectado um fenômeno que pode ser o que prevê a teoria: o padrão se deu a partir de um conjunto de 67 pulsares, quase atestando a presença de um fundo de ondas gravitacionais, sendo, inclusive, as ondas gravitacionais mais poderosas conhecidas. Os sinais pareciam atestar os primeiros sinais do padrão de correlação predito pela relatividade geral.

Dessa maneira, esse resultado demonstra uma grande descoberta científica deste ano, revelando que a técnica funciona para detectar ondas gravitacionais e que existe um fundo de ondas gravitacionais detectável nas baixas frequências, em nanohertz. A distância de cada crista de onda deve estar na casa de vários anos-luz, de acordo com o pesquisador Odylio Aguiar, do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, órgão ligado ao MCTi)..

Os maiores suspeitos a emitir esse fundo de ondas gravitacionais de baixa frequência são as colisões entre buracos negros supermassivos binários, quando os sinais detectados formam uma ação conjunta. Isso, entretanto, é somente uma suposição dos pesquisadores. Tudo isso é um grande avanço científico e tecnológico para compreendermos o funcionamento de como as galáxias evoluem e como se comporta o Universo. No futuro será possível usar esses dados para rastrear, pela galáxia, pares específicos de buracos negros supermassivos, usando ondas gravitacionais como navegação.

REFERÊNCIAS:

AGAZIE, G. et al. The NANOGrav 15 yr Data Set: Evidence for a Gravitational-wave Background. The Astrophysical Journal Letters. 951 L8, 2023. Disponível em: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdac6

NOGUEIRA, Salvador. Usando rede de pulsares como detector, grupo abre nova janela para estudo do cosmos. Folha de São Paulo, 29 jun. 2023. Ciência. Disponível em: https://www1.folha.uol.com.br/ciencia/2023/06/usando-rede-de-pulsares-como-detector-grupo-abre-nova-janela-para-estudo-do-cosmos.shtml

DRAKE, Nadia; GRESHKO, Michael. Ondas gravitacionais: o que são, de onde vêm e o que têm de importante? National Geographic, 8 nov. 2017. Ciência. Disponível em: https://www.nationalgeographicbrasil.com/espaco/2017/10/ondas-gravitacionais-o-que-sao-de-onde-vem-e-o-que-tem-de-importante

AGUIAR, O. D. Astrofísica de ondas gravitacionais. Notas de aula da disciplina AST-300 do curso de Pós-Graduação em Astrofísica do INPE, 1992.

GERMANO, Camilla. Ondas gravitacionais: entenda a descoberta divulgada nesta quinta. Correio Braziliense, 29 jun. 2023. Astronomia. Disponível em: https://www.correiobraziliense.com.br/ciencia-e-saude/2023/06/5105488-ondas-gravitacionais-entenda-a-descoberta-divulgada-nesta-quinta.html