Ondas gravitacionais. A chave que pode abrir os segredos do Universo
O Prémio Nobel da Física de 2017 foi esta manhã atribuído a três cientistas pela deteção das primeiras ondas gravitacionais previstas na Teoria da Relatividade de Einstein. O Expresso republica a reportagem feita por João Santos Duarte em Pisa, Itália, em 2016, no centro europeu que colaborou com o centro americano que ajudou à descoberta agora premiada. Este é o momento da partilha – vamos mostrar-lhe as maravilhas do Universo. E um segredo, um grandioso segredo
No momento em que Giovanni desligou o telefone soube que se tinha acabado de fazer história. E que todos os últimos anos de trabalho tinham finalmente dado fruto. Afinal, quantos não tinham já morrido após décadas de pesquisa, sem nunca terem visto este dia chegar? Sem nunca terem provado a existência daquilo que tão arduamente procuraram durante uma vida inteira? Sem nunca testemunharem um novo capítulo na história da forma como a humanidade olha para o Universo? E, para ele, esse momento tinha finalmente chegado.
Passou meio ano e Giovanni Losurdo ainda continua a sorrir sempre que se lembra daquele telefonema, daqueles emails, daqueles dados que lhe chegaram às mãos. E que o mundo só viria a conhecer meses depois. “Continuo a espantar-me sempre que olho para aqui”, confessa. Não foi fácil manter um segredo destes durante tanto tempo. “Simplesmente era algo tão grande que apenas queríamos gritar ‘conseguimos’.” Mas Giovanni e todos os restantes sabiam que tinham de ser extremamente cuidadosos. Estava muito em jogo e um passo em falso poderia colocar em causa toda a credibilidade de anos de pesquisa. Os dados foram vistos e revistos, confirmados e reconfirmados. O estado da máquina foi verificado em todos os aspetos e parâmetros possíveis. Mas não havia dúvidas: aquilo tinha mesmo acontecido. Quando finalmente estavam convencidos de que o acontecimento era verdadeiro, precisaram ainda de mais tempo para escrever o documento que o iria relatar. “Foi um trabalho obsessivo. Todos tinham a consciência de que este artigo científico iria tornar-se um clássico, iria ser lido durante décadas, iria ser uma grande herança cultural para o mundo inteiro, mesmo fora da comunidade científica. Queríamos que fosse perfeito.”
Giovanni Losurdo, responsável pelo projeto VIRGO
Da janela do seu escritório em Cascina, nos arredores da cidade italiana de Pisa, Giovanni vê campos agricolas verdejantes. E montanhas quebradas pelas nuvens. Ali, no meio de praticamente nada, quase só se ouve o chilrear dos pássaros durante o dia inteiro. Mas há um elemento que quebra a aparente normalidade da paisagem. Dois tubos enormes, de cor azul, perpendiculares e com três quilómetros de extensão, convergem para um mesmo edifício.
Num dos locais mais insuspeitos possíveis está situada uma das chaves que promete abrir as portas para vários segredos do Universo nas décadas que se avizinham. E Losurdo, um italiano do sul mas que já adotou a cidade de Galileu como sua, é um dos homens que tem a responsabilidade de ter essa chave na mão.
Para explicar porque é que este local vai ser importante no próximo século é necessário, na verdade, recuar um outro século. Estávamos em 1916 e Albert Einstein não parava de revolucionar por completo o entendimento que a Humanidade tinha do Universo. A última previsão do cientista alemão, no âmbito da sua famosa Teoria da Relatividade Geral, apontava para a existência de um fenómeno denominado “ondas gravitacionais”. Trata-se de uma perturbação do tecido do espaço-tempo provocada por eventos astrofísicos muito violentos, como a colisão de dois buracos negros ou estrelas de neutrões, ou a explosão de uma supernova. Esses acontecimentos iriam deformar o espaço e o tempo à volta, provocando ondas que se espalhariam depois pelo Universo à velocidade da luz.
Os primeiros grandes projetos para tentar comprovar a existência de ondas gravitacionais surgiriam no início dos anos 90, na altura ainda no papel. Entrariam apenas em funcionamento na década seguinte. Baseiam-se no princípio do “interferômetro”, um aparelho usado para medir distâncias e ângulos a partir da interferência de ondas eletromagnéticas.
O princípio é simples: o detetor é constituído por dois braços dentro dos quais viajam raios laser no interior de um tubo colocado em vácuo e sem qualquer interferência do exterior. Um espelho suspenso no final do tubo reflete o raio laser de volta. Numa situação normal, os dois lasers vão anular-se perfeitamente no mesmo ponto quando regressam. Mas a passagem de uma onda gravitacional, por exemplo, vai provocar uma deformação ínfima no espaço, encolhendo por momentos um dos braços do detetor e esticando o outro. Isso faz com que o sinal dessa interferência dos raios laser se modifique e seja identificado pelo detetor, como se mostra na animação seguinte.
Quando Giovanni Losurdo olha pela janela do escritório em Cascina o que ele vê, na verdade, é um interferômetro gigante, com três quilómetros de extensão. Losurdo é o atual responsável pelo projeto do VIRGO, o detetor europeu de ondas gravitacionais (tem o mesmo nome da constelação que fica a cerca de 50 milhões de anos-luz da terra, a distância que a primeira versão do detetor permitia cobrir).
O telefonema e os emails que ele recebeu a 14 de setembro do ano passado, e que o deixariam de boca aberta, vinham dos colegas do LIGO, o “irmão” americano do VIRGO. Eles não tinham dúvidas: uma onda gravitacional provocada pela colisão de dois buracos negros tinha acabado de passar pela Terra. E, pela primeira vez desde que Einstein tinha previsto na teoria esse fenómeno, eles conseguiam prová-lo.
Vista aérea do projecto VIRGO, situado nos arredores de Pisa, Itália.
“Ainda bem para o Universo que eu não estava lá. Se estivesse podia ter baralhado aquilo tudo sem querer, e hoje ninguém sabia de absolutamente nada”, brinca Daniel, no seu jeito meio irónico. Na verdade, o americano tinha um bilhete para assistir na primeira fila a um acontecimento histórico. Mas deixou-o escapar entre os dedos apenas uns dias antes.
Daniel Hoak trabalhou como analista de dados num dos dois observatórios norte-americanos do LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), em Hanford, no estado de Washington, até à primeira semana de setembro do ano passado. Apenas uma semana depois, o observatório viria a detetar pela primeira vez na história uma onda gravitacional. Foi provocada pela colisão de dois buracos negros há 1,3 mil milhões de anos. O motivo pela qual os cientistas nunca tinham conseguido detetar um fenómeno semelhante prende-se com facto de, quando chega finalmente à terra, a variação que provoca no espaço é tão ínfima (pode ser mil vezes mais pequena do que um protão) que nunca tinha sido possível construir um detetor tão sensível que fosse capaz de o observar. Nunca, até agora. A deteção de ondas gravitacionais vem abrir uma nova era nos campos da astronomia e da física, na medida em que permite começar a olhar para a esmagadora maioria do universo – há quem diga que só lhe conhecemos 4% – que não emite luz, ou seja, que não era visível meramente através do espectro eletromagnético (através da utilização, por exemplo, de telescópios).
Daniel Hoak já trabalhou nos detetores norte-americanos de ondas gravitacionais, e agora está a colaborar com o projeto europeu
O cientista americano, de 35 anos, está neste momento a trabalhar nas instalações do VIRGO durante alguns meses. Os projetos europeu e americano mantêm uma colaboração estreita desde 2007. Hoak está a auxiliar no processo de atualização do detetor europeu, um update que foi denominado “Advanced VIRGO” e que o vai tornar dez vezes mais potente. Foi apenas por esse motivo que ainda não detetou a onda gravitacional que passou pela Terra em setembro, ao contrário do irmão americano, que já passou recentemente por essa transformação.
Se o italiano Giovanni Losurdo é o responsável geral pelo detetor, o holandês Bas Swinkels é o homem que coordena em específico os trabalhos de atualização para o “Advanced VIRGO”. Quando Swinkels nos abre a porta, de início só há escuridão. Depois carrega-se num botão e de repente dezenas de luzes começam a acender-se em cadeia e revelam um túnel que se estende por largas centenas de metros à nossa frente. Todo o túnel é percorrido por um tubo prateado instalado mesmo ao centro, que tem um metro e vinte cêntimetros de diâmetro. É por aqui que vai circular o laser, que depois será refletido por um espelho enorme quando chegar ao fundo do túnel.
O detetor europeu é em tudo semelhante ao americano, com a diferença de que o LIGO tem quatro quilómetros de extensão enquanto o VIRGO tem três. Bas Swinkels fez uma visita guiada ao Expresso por dentro da máquina que pode revolucionar nas próximas décadas a compreensão do Universo.
“Tudo isto não passava de lama e sapos”, recorda, por sua vez, Giovanni Losurdo, enquanto passeia pelo exterior do detetor. Se Swinkels está há dez anos por estas paragens, Losurdo está no projeto desde que tudo não passava de uma ideia num papel. Naquela altura, no início dos anos 90, era um mero estudante da Universidade de Pisa, para onde tinha ido estudar física depois de ter deixado para trás a sua cidade natal de Bari, no sul de Itália. Hoje, aos 47 anos, é ele quem tem a responsabilidade de liderar o projeto.
Giovanni recorda que, naquele tempo, os terrenos em Cascina foram escolhidos porque, entre outras razões, estavam situados numa planície que oferecia o espaço e a tranquilidade necessários. E, para o detetor funcionar e ser eficaz, precisa de ter o mínimo de ruído envolvente possível. Mas há um senão: com o passar dos anos, o detetor tem sofrido de um problema parecido com o da famosa torre inclinada de Pisa…
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O processo de atualização do VIRGO está quase a chegar ao fim e os trabalhos devem estar terminados no fim deste mês de março. Os técnicos têm estado a substituir toda a estrutura anterior (que ainda realizou várias observações entre 2007 e 2011, embora sem sucesso). Entre as alterações estão os novos espelhos que refletem os lasers, que são mais pesados (42 quilos) mas mais potentes. Cada um dos espelhos está suspenso numa das torres, sem qualquer ligação direta ao chão. O motivo é simples: qualquer pequena vibração ou atividade sísmica teria influência nos resultados do detetor. Para evitar isso foi desenvolvido um sistema específico, ao qual os cientistas chamaram “superatenuador”. Todos os espelhos estão suspensos numa cascata de cinco pêndulos gigantes, que permite atenuar qualquer vibração do solo.
Cada espelho está suspenso por quatro fios, que têm também uma particularidade curiosa. Têm menos de meio milímetro de espessura e, ao contrário do que se poderia pensar, são feitos a partir de um material que pode parecer improvável: vidro.
Matteo Montani e Francesco Piergiovanni são os dois investigadores por trás da tecnologia. Trabalham na Universidade de Urbino, mas têm rumado com frequência a norte, aos arredores de Pisa, para produzir, no local, os importantes fios que seguram os espelhos do VIRGO. “É incrível como é possível fazer isto, não é?”, diz Matteo. O vidro foi o material escolhido por ser o que melhor permite anular possíveis vibrações e ruídos. Um material que seria à partida demasiado frágil torna-se, quando manipulado da forma certa, ultrarresistente. Para isso é necessária a utilização de laseres e temperaturas muito elevadas. Os dois investigadores mostraram ao Expresso como tudo se faz.
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A onda gravitacional detetada pelo LIGO em setembro do ano passado foi produzida há 1,3 mil milhões de anos por dois buracos negros cujas massas exatas são conhecidas dos cientistas. Mas, afinal, como é que a partir da deteção de um sinal se pode afirmar com tanta certeza que a onda gravitacional se refere a um determinado acontecimento em específico e que aconteceu há um período de tempo concreto e perfeitamente datável? Essa é a magia da ciência, explica Giovanno Losurdo, sentado numa das cadeiras da sala de controlo do VIRGO. Tudo isto é possível por dois fatores: por um lado, hoje em dia temos supercomputadores que fazem cálculos com um grau de complexidade que há uns anos era impossível; por outro, porque há 100 anos tivemos um super-humano que fez previsões que não estavam ao alcance de mais ninguém.
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Embora os trabalhos de atualização do Advanced VIRGO estejam prontos no final de março, o detetor só começará a fazer as primeiras medições mais para o final do ano. Antes tem de passar por um delicado e moroso processo de testes e verificações. A junção do detetor europeu aos dois americanos já em funcionamento vai ser decisiva para os avanços nesta área, explica por sua vez Federico Ferrini, o atual diretor do EGO (European Gravitational Observatory), o consórcio europeu que gere o VIRGO (foi fundado inicialmente por Itália e França, mas hoje integra também outros três países: Holanda, Hungria e Polónia).
“Com apenas dois interferômetros não podemos saber em que zona do céu está situada a fonte dessa onda gravitacional. Mas com a triangulação dos três já vai ser possível delimitar melhor a região do universo de onde esse sinal veio.” O suficiente para podermos apontar igualmente telescópios ou outros instrumentos, na procura de observações também no campo eletromagnético. É aquilo que Giovanno Losurdo chama, por sua vez, “eventos de ouro”, que poderão ser detetados tanto pelas ondas gravitacionais como pelos sinais eletromagnéticos que possam emitir. “É como ter um paciente e poder fazer um diagnóstico usando um raio X ou uma ecografia, ou uma ressonância magnética. Vamos poder fazer uma leitura muito mais precisa do Universo.”
Além dos dois detetores do LIGO e do VIRGO, está a ser construído um novo detetor no sul do Japão, numa velha mina abandonada em Kamioka, que deverá estar ativo em 2018. E há poucas semanas foi aprovado um projeto para um LIGO na Índia, que poderá operar a partir de 2023. Essa rede global de detetores vai aumentar exponencialmente a capacidade de os astrónomos e físicos estudarem a esmagadora maioria do Universo que ainda desconhecemos.
E quantas ondas gravitacionais poderá esta nova geração de detetores vir a confirmar por ano? É tudo muito relativo, garante Giovanni Losurdo. “Há modelos físicos que apontam para um evento por ano, outros para cem… Mas o fato do LIGO ter detetado um evento apenas duas semanas depois de ter sido novamente ligado após a atualização que sofreu é desde logo um bom sinal.”
O “Observatório Gravitacional Europeu” conta, por enquanto, apenas com a colaboração de cinco países, mas o grande sonho de Federico Ferrini é alargar o números de países-membros e ter um observatório que seja verdadeiramente europeu no médio prazo. “O EGO é uma infraestrutura de larga escala, com muitas possibilidades de pesquisa e desenvolvimento no futuro. Pode ser uma casa comum para todas as equipas europeias envolvidas nesta área.” O alargamento iria permitir aumentar não apenas o orçamento anual, mas também transferir tecnologia e conhecimentos.
O consórcio conta atualmente com um orçamento anual de nove milhões de euros. Já foi superior, recorda Ferrini, mas foi cortado nos anos recentes por causa da crise. Ainda assim, o diretor do Observatório reconhece que é “dinheiro dos contribuintes” que tem de ser bem investido e justificado. E garante que nem tudo o que se faz nas instalações está virado para o espaço. Há muita tecnologia que pode ser transposta para o dia a dia nos próximos anos, seja na área da óptica ou da prevenção de sismos.
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Se é verdade que a comunidade científica tem a partir de agora um instrumento com o qual poderá provar algumas teorias e previsões, também é um fato que os físicos admitem nos próximos anos ser surpreendidos por cenários nunca antes imaginados. “Tenho a certeza que, a dado ponto, iremos ver nestes monitores um sinal que não percebemos, porque não foi previsto por nenhum modelo”, garante o responsável pelo projeto “Advanced VIRGO”.
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Galileu nasceu em Pisa há quatro séculos para revolucionar a compreensão que os homens tinham do seu próprio mundo. Agora, é também próximo da cidade italiana que se procuram novas pistas sobre o Universo. Não se sabe que segredos poderão ser revelados daqui para a frente. Sabe-se apenas que a Humanidade tem uma nova porta aberta para o que até agora era desconhecido.
Trabalho original publicado no Expresso Online a 7 de março de 2016
