Astronomia de Onda Gravitacional: abrindo uma nova janela no universo | Martin Hendry | TEDxGlasgow

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Você sabia que a gravidade pode dobrar o espaço e o tempo, e que relógios andam mais rápido no topo de arranha-céus? Martin Hendry descreve como a Teoria da Gravidade de Einstein molda o mundo moderno, e como lasers, no coração dos instrumentos científicos mais sensíveis já construídos, estão abrindo toda uma nova maneira de estudar o cosmos.

Há um mito urbano clássico

que diz que se todos na China
pularem juntos,

a Terra será tirada de seu eixo.

Acreditem, fiz os cálculos e posso dizer

que o eixo da Terra está seguro.

Apesar de que, por ter crescido
na Grã-Bretanha nos anos 80,

as palavras "Michael Fish"
e "furacão" me vêm à mente.

No entanto, mesmo se uma
única pessoa saltar,

ela pode, grosso modo,
fazer a Terra se mover.

O problema é que não faz
a Terra se mover muito.

Então, vamos supor que pudéssemos
fazer uma medição,

não de cientistas pulando
e balançando a Terra,

mas uma medição tão precisa

que pudesse nos dizer algo sobre
a mudança na forma do próprio espaço

produzida por uma estrela
que explodiu no meio da galáxia.

Isso pode parecer ficção científica,

mas na verdade já existe
uma máquina assim.

É chamada interferômetro laser,

um dos instrumentos científicos
mais sofisticados já construídos.

E em alguns anos,

estamos confiantes que irá abrir para nós

um novo método de ver o universo, chamado
astronomia de ondas gravitacionais.

Ondas gravitacionais não são
a mesma coisa que a luz;

elas não são parte do espectro da luz
que chamamos espectro eletromagnético,

que se estende desde
as ondas de rádio até os raios gama.

Nós já descobrimos muitos
tipos diferentes de luz,

e, durante os últimos 60 anos,

nos tornamos muito melhores
em desvendar o universo

com todos esses tipos diferentes de luz.

Se construímos um radiotelescópio
gigante na superfície

ou colocamos um observatório
de raios gama no espaço,

nós usamos essas diferentes
janelas para o cosmos

para nós dizer algumas coisas incríveis
sobre como o universo funciona.

Nós investigamos o nascimento
e a morte de estrelas.

Nós exploramos os corações de galáxias.

Até mesmo começamos a encontrar planetas
como a Terra ao redor de outras estrelas.

Mas o espectro de ondas gravitacionais
será completamente diferente.

Nos dará uma janela no universo

para alguns dos eventos mais
energéticos e violentos do cosmos:

explosões estelares, colisão
de buracos negros e talvez até o Big Bang.

O que iremos aprender com a janela das
ondas gravitacionais do nosso universo?

Bem, talvez o mais empolgante
sejam as coisas que ainda não descobrimos,

as chamadas incógnitas desconhecidas,

as coisas que nem sabemos
que não sabemos ainda.

Vai levar mais alguns anos,
mas já estamos quase lá.

Antes de falarmos sobre
ondas gravitacionais,

vamos pensar sobre a gravidade.

Existe outro mito urbano
que tenho certeza que todos conhecem,

o mito sobre a maçã que caiu
na cabeça de Isaac Newton.

Não tenho certeza se havia mesmo
uma fruta envolvida nisso,

mas de onde quer que ele tenha tirado
inspiração, Newton teve uma grande ideia.

Ele percebeu que poderia
usar a mesma lei da física

para descrever uma maçã
caindo de uma árvore

ou a Lua orbitando a Terra.

E a chamou de lei da gravitação universal.

Ela basicamente diz
que tudo no cosmos se atrai.

É uma bela teoria e também
é muito útil na prática.

Ela permitiu que fizéssemos
todo tipo de coisa no mundo moderno

e tem permitido por mais de 300 anos.

Nos permitiu voar de avião pelo mundo,

e nos permitiu voar em um foguete
até a Lua e voltar.

Mas há um problema na lei da gravitação
universal, um problema filosófico.

Em um nível bem fundamental
ela não faz muito sentido,

porque Newton disse que há uma força
entre a Terra e a Lua.

Bom, como a Lua sabe
que ela tem que orbitar a Terra?

Como essa força chega da Terra até a Lua?

Esse foi um problema que ninguém menos
que Albert Einstein tentou solucionar

nos primeiros anos do século 20.

E Einstein encontrou uma resposta
verdadeiramente notável.

Albert Einstein foi provavelmente
o primeiro cientista a virar celebridade.

Apesar de ter morrido em 1955,

em 1999, os editores da revista Time
o elegeram a pessoa do século 20.

Embora eu deva dizer que houve
uma votação pública na internet

que elegeu Elvis Presley.

(Risos)

Eu sou tão fã da música do rei
como qualquer outra pessoa,

mas tenho de concordar
com a decisão do editor.

Na verdade, tenho meu próprio
boneco do Einstein na universidade.

(Risos)

O que exatamente Einstein fez
para ser a pessoa do século 20?

Ele nos fez repensar
o que de fato é a gravidade.

Segundo Einstein, a gravidade
não era bem uma força

entre a Terra e a Lua ou maçãs e árvores,

em vez disso, é uma curvatura
ou dobra do espaço e do tempo.

Uma boa metáfora é pensar na Terra apoiada
em uma lona de borracha esticada,

como um trampolim.

A massa da Terra, a imensa massa da Terra,

irá curvar bastante o tecido de borracha,

e então não é mais necessário

que a Lua sinta uma força saindo da Terra.

A Lua apenas segue naturalmente
as curvaturas e dobras

do espaço e do tempo ao redor da Terra.

Na verdade, Einstein também disse

que não deveríamos mais pensar no espaço
e no tempo como coisas separadas,

é por isso que se ouve pessoas
falarem do tecido do espaço-tempo.

Einstein disse que a gravidade é
uma curvatura, uma dobra do espaço-tempo.

Ou como outro físico, John Wheeler,
afirmou de maneira bem clara:

"O espaço-tempo diz
à matéria como se mover,

e essa diz ao espaço-tempo
como se curvar".

Isso tudo soa grandioso e fundamental
sobre a natureza do universo,

mas também têm muitas aplicações práticas.

Aqui embaixo na Terra,
na fraca gravidade da Terra,

há uma notável predição
da teoria de Einstein,

a qual vocês provavelmente
nunca perceberam até agora.

Por exemplo, vocês sabiam

que os relógios andam mais devagar
na superfície da Terra do que na altitude

porque o campo gravitacional é mais forte?

Talvez vocês lembrem da cena do filme
"Missão Impossível - Protocolo Fantasma",

quando Tom Cruise está escalando

o Burj Khalifa, o edifício
mais alto do mundo.

Mas quando ele estava
a 800 metros do chão,

tenho certeza que ele não percebeu,

mas o relógio dele estava andando
alguns bilionésimos de segundo mais rápido

do que estaria andando no nível do solo.

O que são alguns bilionésimos
de segundos entre amigos?

Bom, na verdade é suficiente
para fazer uma diferença

para o Sistema de Posicionamento Global.

Os satélites de GPS precisam ter
suas informações ajustadas

para um tempo que passa mais rápido
nas altitudes dos satélites.

Uma diferença enorme
de 40 microssegundos por dia.

Os sinais de rádio
e de microondas desses satélites

viajam cerca de 10 quilômetros
em 40 microssegundos.

Apenas imaginem
o quão ruim o seu GPS seria,

se só funcionasse até 10 quilômetros.

Todo mundo se perderia rapidamente.

Então a teoria da gravidade de Einstein,
a Teoria Geral da Relatividade,

realmente tem efeitos práticos
em nossas vidas cotidianas.

Mas é lá fora, no espaço profundo,
onde vemos o seu máximo potencial.

Na verdade, se a gravidade
é a curvatura do espaço-tempo,

podemos fazer um experimento mental.

Imagine que, se colocássemos matéria
suficiente em um espaço bem pequeno,

ao final teríamos curvado
o espaço-tempo tanto

que nem mesmo a luz escaparia
das garras da gravidade.

Teríamos obtido um buraco negro.

Os buracos negros foram
imaginados na época de Einstein.

Na verdade, em 1916, logo após
Einstein ter publicado sua teoria,

houve um maravilhoso artigo
escrito por um jovem cientista,

que estava no front
da Primeira Guerra Mundial,

Karl Schwarzschild,

que apresentou a teoria do buraco negro.

Buracos negros realmente parecem
pertencer ao mundo da ficção científica.

Mas nós cremos que os buracos negros
realmente existem,

e que, mesmo para a luz
escapar de um buraco negro

seria uma autêntica missão impossível.

Encontramos buracos negros
nos restos de explosões estelares,

e os encontramos em formas supermassivas

no coração de praticamente
toda galáxia do universo.

Imagine poder pegar um buraco negro
e o acelerar próximo à velocidade da luz.

Isso abalaria bastante o espaço-tempo,

como derrubar uma bola de canhão
no tecido de um trampolim,

criando ondas que se espalhariam,

e essas ondas é o que chamamos
de ondas gravitacionais.

As ondas gravitacionais são produzidas
por coisas como buracos negros,

ou seus primos levemente menos extremos

chamados estrelas de nêutrons.

E se dois delas colidirem

próximos à velocidade da luz,

realmente criaria algumas ondas.

É isso o que estamos buscando

ao embarcarmos nesse novo campo
da astronomia de ondas gravitacionais.

Se fosse assim tão simples.

Esse é o plano, mas é difícil de fazer,

porque mesmo que as ondas gravitacionais

abalem o espaço-tempo de maneira
colossal onde os buracos negros estão,

como ondas em um lago,

conforme se espalham pelo universo,
elas se tornam cada vez mais fracas.

Quando chegam na Terra,

o abalo do espaço-tempo que tentamos medir

é aproximadamente um milionésimo
de milionésimo de milionésimo de metro.

É muito difícil de medir.

Então como se faz?

Bom, com risco de soar como um
daqueles shows de mágica de Las Vegas,

é tudo feito com espelhos e lasers.

O que fazemos é usar um raio laser
para atingir um espelho,

então dividimos em dois raios
em um ângulo reto,

fazemos refletir em um espelho,
recombinamos os feixes,

e então vemos o que obtivemos.

Se os dois raios viajaram
exatamente a mesma distância,

o que obtemos são os feixes
em perfeita sincronia.

Eles são ondas de luz, assim como
todas as outras formas de luz,

então os trens de onda irão combinar.

Mas, se viajarem distâncias diferentes,

eles estarão fora de sincronia,
irão interferir um sobre o outro,

chamamos esse fenômeno de interferência,

e por isso essas coisas são
chamadas interferômetros laser.

Um interferômetro laser
é uma coisa legal de ter,

se você quer tentar pegar
uma onda gravitacional.

Mas lembre-se que elas são
sinais pequeníssimos,

então será um enorme desafio
de engenharia construir um.

Einstein disse que quando
uma onda gravitacional passa,

ela estica e comprime
o espaço-tempo ao nosso redor.

mas em uma quantidade
incrivelmente pequena.

Estamos tentando usar o raio laser
e seus padrões de interferência

para nos dizer se passou
uma onda gravitacional.

Mas temos que aumentar bastante
o tamanho do experimento.

É aí que entra o LIGO.

LIGO significa "Observatório de Ondas
Gravitacionais por Interferômetro Laser".

É o mais sofisticado e ambicioso

projeto científico já criado pela
Fundação Nacional da Ciência nos EUA.

Na verdade há dois LIGO.

Há um em Louisiana e outro
no estado de Washington.

E juntos com outros dois interferômetros,

um chamado GEO na Alemanha
e o Virgo na Itália,

esse é o nosso primeiro sistema
de alerta para ondas gravitacionais.

Os LIGO são construídos
em áreas bastante remotas,

e eu creio que os moradores locais
não compreendem para que eles são.

Um dos meus colegas do LIGO
estava voando sobre Livingston

e outra passageira no voo estava
olhando o detector lá em baixo e disse:

"Tenho uma teoria sobre o que é isso.

Uma máquina do tempo secreta do governo".

Ele não sabia muito bem como responder,

mas ele disse algo como: "Certo,
por que o formato de L então?"

E ela disse: "Eles têm que voltar".

(Risos)

Viagem no tempo
é realmente ficção científica,

mas temos esperança,
que encontrar ondas gravitacionais,

em alguns anos, será um fato científico.

Por enquanto é difícil.

Esses pequenos efeitos
que estamos tentando medir

poderiam ser inundados por efeitos locais
de perturbações de movimentações do solo;

não causadas lá fora no universo,

mas causadas por fenômenos
muito mais mundanos aqui na Terra.

Então temos de colocar os espelhos

em sistemas de suspensão muito complexos,

que estão nos limites
da tecnologia de materiais.

E mesmo a turbulência do ar no raio laser

poderia afogar nosso sinal,

então temos que enviar
os lasers, ida e volta,

no sistema de maior
ultra-alto vácuo que há na Terra,

somente um trilionésimo da pressão
atmosférica que respiramos hoje.

Juntando tudo isso e gastando
algumas centenas de milhões de dólares,

esperamos conseguir encontrar
algumas ondas gravitacionais,

mas são necessários
muitos cientistas para fazer isso.

Por isso em Glasgow somos parte
dos colaboradores científicos do LIGO,

mais de 900 cientistas
e engenheiros pelo mundo

procurando por ondas gravitacionais.

Não encontramos nenhuma ainda,

mas ter múltiplos detectores
não é como "pague um e leve dois",

e sim porque, se for detectado um sinal
em ambos detectores LIGO,

ajuda a te convencer que você
realmente conseguiu algo.

E se virmos isso no Virgo e no GEO
também, melhor ainda.

Muito em breve vamos ter
uma rede global de detectores avançados

porque os LIGO ainda não
são sensíveis o suficiente.

Mas estamos lhes dando
mais espelhos pesados,

lasers mais poderosos,
melhores sistemas de suspensão,

e esperamos que em 2016

tenhamos uma rede de interferômetros
de ondas gravitacionais avançados

procurando por ondas gravitacionais.

Quanto tempo teremos de esperar
para conseguir um sinal?

Não sabemos, mas com base
no que já sabemos,

cremos que não vai levar
mais do que alguns meses.

Na verdade, em uma
conferência ano passado,

um grupo nosso na Polônia
tratou de fixar uma data

de quando esperamos ver uma.

Pode ter parecido piada

quando previmos a data
de 1 de janeiro de 2017.

Eu ressaltei que provavelmente
não haverá muitas pessoas

trabalhando em Glasgow nesse dia.

(Risos)

Porém, as ondas gravitacionais estão aí.

Estamos a ponto de abrir
essa nova janela no universo,

é um período muito empolgante
para ser um astrofísico.

Muito obrigado.

(Aplausos)