Uma onda gravitacional é uma pequena perturbação que se propaga pelo espaço-tempo, gerada por eventos cósmicos extremamente energéticos, como a colisão de buracos negros ou de estrelas de nêutrons. Quando objetos muito massivos aceleram ou orbitam uns aos outros, eles produzem variações no campo gravitacional que se propagam pelo Universo na forma dessas ondas. Uma analogia útil é a das ondulações que se propagam na superfície da água quando uma pedra é lançada em um lago. Nesse caso, porém, o que se deforma não é a água, mas o próprio espaço-tempo, a estrutura fundamental que descreve como o espaço e o tempo estão interligados e na qual todos os objetos e fenômenos físicos existem.
Durante muito tempo, as ondas gravitacionais foram apenas uma previsão teórica. Isso mudou em 2015, com o registro do sinal produzido pela fusão de dois buracos negros a cerca de um bilhão e meio de anos-luz da Terra. Essa descoberta confirmou experimentalmente o que Albert Einstein previu como consequência de sua Teoria da Relatividade Geral. E inaugurou uma nova forma de observar o Universo, conhecida como astronomia de ondas gravitacionais. Desde então, a área tem oferecido novas oportunidades para testar as leis fundamentais da Física. Um dos capítulos mais recentes dessa história envolve o evento batizado de GW250114, considerado o sinal de onda gravitacional mais intenso já detectado.
Ele tornou-se conhecido em janeiro do ano passado, após ser detectado por pesquisadores no Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria a Laser (LIGO, na sigla em inglês), formado por dois instrumentos idênticos, ambos localizados nos EUA: um em Livingston, Louisiana; e outro em Hanford, Washington.
Os resultados da análise desse evento foram apresentados no artigo Black-Hole Spectroscopy and Tests of General Relativity with GW250114, publicado recentemente com a participação de dezenas de pesquisadores. Entre os colaboradores está o físico brasileiro Odylio Denys Aguiar, pesquisador titular do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e uma das principais referências do país em relatividade e gravitação experimentais.
O estudo explora o sinal GW250114 para investigar o que acontece nos instantes finais da fusão de dois buracos negros e testar, com um nível de rigor sem precedentes, as previsões da relatividade geral de Einstein.
Odylio explica que o evento GW250114 se destacou por um motivo fundamental: sua razão sinal-ruído, como é chamada a medida da clareza do sinal detectado, foi extraordinariamente alta. Segundo Odylio, esse fator foi decisivo para que o fenômeno pudesse ser analisado com um nível de detalhe muito superior ao de eventos anteriores.
“Esse sinal apresentou razão sinal-ruído em torno de 80. Para efeito de comparação, o evento detectado em 2015, batizado de GW150914, apresentou razão sinal-ruído de cerca de 32. O novo evento, portanto, representa um salto importante na qualidade da observação.”
Tal avanço foi impulsionado pelo aprimoramento da sensibilidade dos detectores do LIGO e pela relativa proximidade, em termos cosmológicos, do sistema binário que deflagrou o evento.
Pouco antes de se fundirem, os dois buracos negros que geraram o evento GW250114 orbitaram um ao outro a uma velocidade de cerca de 60% da velocidade da luz. O campo gravitacional nas proximidades desses objetos é o mais intenso conhecido na natureza.
“Não existe gravidade maior do que a existente nas vizinhanças de um buraco negro. E os buracos negros, pouco antes de se fundirem, nessas coalescências observadas em ondas gravitacionais, chegam a alcançar cerca de 60% da velocidade da luz”, explica Odylio.
Essas condições tornam o fenômeno especialmente valioso para a física fundamental. “É um laboratório que permite a observação de fenômenos em regimes de gravidade forte e altas velocidades. Tais condições podem revelar uma nova física”, afirma o pesquisador, acrescentando que qualquer pequena discrepância observada em fenômenos extremos é capaz de sustentar novas teorias da gravitação.
“Badaladas” cósmicas
Após a fusão de dois buracos negros, o objeto resultante, explica Odylio, não se estabiliza imediatamente. Ele sofre perturbações e vibra por um curto período, emitindo ondas gravitacionais com frequências específicas. Esse processo é conhecido como ringdown.
As oscilações emitidas nesse estágio podem ser descritas como uma soma de modos quase normais. Ou padrões vibracionais característicos que dependem apenas das propriedades do buraco negro final, como sua massa e sua rotação.
Na analogia frequentemente usada pelos físicos, trata-se do “som” produzido pelo buraco negro após a fusão, semelhante ao toque de um sino que vibra após ser golpeado.
A relatividade geral prevê exatamente quais frequências devem aparecer nesse “espectro” de vibrações. Se os buracos negros obedecerem à chamada métrica de Kerr (solução matemática que descreve buracos negros rotantes), esses modos devem apresentar valores específicos.
O estudo do evento GW250114 identificou pelo menos dois modos quase normais no sinal de ringdown. Essa observação representa um avanço significativo na chamada espectroscopia de buracos negros, técnica que consiste justamente em analisar esses modos para verificar se as propriedades do objeto final seguem as previsões teóricas.
Segundo Odylio, os modos detectados incluem o modo fundamental e um modo adicional, ambos previstos teoricamente pela relatividade geral. “Esses modos quase normais são o modo fundamental, que, na terminologia matemática, é o ℓ=2, m=2, n=0, e o seu primeiro sobretom”, explica.
A teoria que descreve essas vibrações está diretamente ligada à solução matemática obtida pelo físico Roy Kerr nos anos 1960. “A matemática do buraco negro em rotação foi deduzida por um pesquisador neozelandês de sobrenome Kerr, na década de 60. Por isso, ele é chamado de buraco negro de Kerr”, diz Odylio.
Segundo ele, os modos identificados no estudo já haviam sido previstos por cálculos teóricos baseados na relatividade geral e em métodos matemáticos de perturbação. “Todos esses modos já tinham sido previstos e calculados teoricamente, utilizando a teoria da relatividade geral e o método de perturbações com o modelo de Kerr. Entretanto, essa foi a primeira vez que eles foram precisamente observados”, afirma.
Os pesquisadores também compararam as amplitudes e fases observadas com simulações de relatividade numérica. Os resultados mostraram excelente concordância entre os dados experimentais e os modelos teóricos.
Um dos resultados mais impressionantes do trabalho é o nível de precisão alcançado nos testes da relatividade geral. Utilizando um modelo de forma de onda que descreve todo o processo, desde a fase de aproximação orbital dos buracos negros, passando pela fusão e chegando ao ringdown, os pesquisadores conseguiram restringir as frequências dos modos observados a valores extremamente próximos das previsões da teoria de Einstein. Ademais, a análise incluiu uma série de testes independentes ao longo das diferentes fases do evento.
Segundo Odylio, o GW250114 representa um marco importante para a área. “Esse evento foi um teste importante da relatividade geral com uma precisão que até hoje não tinha sido alcançada pela astronomia de ondas gravitacionais”, afirma.
A participação de pesquisadores brasileiros nesse estudo reflete a crescente inserção do país na astronomia de ondas gravitacionais.
Odylio Denys Aguiar tem desempenhado um papel central nessa trajetória. Engenheiro formado pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), com mestrado no INPE e doutorado na Louisiana State University, ele lidera desde 2002 a linha de pesquisa em astrofísica de ondas gravitacionais do instituto.
Entre suas contribuições mais importantes está a coordenação do projeto Mario Schenberg, a antena criogênica esférica desenvolvida no Brasil para detecção de ondas gravitacionais. O projeto colocou o país no mapa dessa área de pesquisa antes das primeiras detecções realizadas pelo LIGO.
Odylio informa que o Brasil conta com dois grupos diretamente envolvidos nas colaborações LIGO e Virgo: o grupo do INPE e o grupo coordenado pelo físico Riccardo Sturani no Instituto de Física Teórica da Unesp. Embora ainda sejam poucos, esses grupos representam um núcleo importante para o desenvolvimento da área no país.
Como observa Odylio, a astronomia de ondas gravitacionais ainda é uma área relativamente nova no Brasil, o que cria desafios para a formação de novos pesquisadores. “Existe uma certa dificuldade de encontrar pesquisadores e professores nessa área”, afirma.
Mesmo assim, ele destaca que a ciência brasileira tem conseguido acompanhar o desenvolvimento internacional do campo. “No caso de ondas gravitacionais e da astronomia de forma geral, o Brasil está muito bem colocado diante da astronomia mundial”, diz.
Os resultados obtidos com o evento GW250114 também permitem vislumbrar o futuro da astronomia de ondas gravitacionais. Enquanto os detectores atuais são aprimorados, novos observatórios estão sendo planejados, com previsão de que alcancem sensibilidades até dez vezes maiores do que as atuais.
Isso terá impacto direto na qualidade dos sinais observados. “Um evento semelhante a esse, se observado na década de 2030, apresentaria uma razão sinal-ruído próxima de mil”, antevê Odylio.
Com dados dessa qualidade, seria possível identificar diversos modos quase normais adicionais e realizar testes ainda mais rigorosos da relatividade geral.
A astronomia de ondas gravitacionais, prossegue Odylio, faz parte de um campo conhecido como astronomia multimensageira, que combina diferentes formas de observação (a exemplo de radiação eletromagnética, neutrinos e ondas gravitacionais) para estudar os fenômenos cósmicos.
Cada uma dessas “mensagens” oferece informações complementares sobre o Universo. As ondas gravitacionais, em particular, permitem observar diretamente o movimento de grandes massas em sistemas extremamente compactos, processos muitas vezes invisíveis para os telescópios tradicionais.
“É uma maneira de ver o Universo em uma outra janela”, explica Odylio. “Uma janela que não é da onda eletromagnética. É uma janela escura em que você detecta movimentos de grandes massas.”
Essa nova forma de observação pode contribuir para enfrentar algumas das maiores questões da cosmologia contemporânea. “A astronomia de ondas gravitacionais, dentro de um contexto de astronomia multimensageira, vai ser importantíssima para conseguir cercar problemas como a matéria escura e a energia escura”, afirma.
Diante desse cenário promissor, Odylio destaca a importância de formar novos pesquisadores capazes de atuar nessa área emergente. Uma das estratégias, segundo ele, é incentivar estudantes brasileiros a participarem diretamente das grandes colaborações internacionais.
Segundo o pesquisador, o desenvolvimento de uma massa crítica de cientistas latino-americanos pode, inclusive, abrir caminho para projetos mais ambiciosos no futuro, como a instalação de um observatório de ondas gravitacionais na América do Sul.
Ao mesmo tempo, a participação ativa de pesquisadores brasileiros nesse esforço internacional demonstra que o país tem condições de contribuir de forma significativa para uma das áreas mais dinâmicas da ciência contemporânea.
Assista à entrevista realizada com o professor Odylio Aguiar
Por Leandro Haberli
