Em fevereiro de 2016, os cientistas que trabalhavam no Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO) fizeram a primeira detecção de ondas gravitacionais. Desde então, várias detecções ocorreram, em grande parte graças a melhorias nos instrumentos e a maiores níveis de colaboração entre os observatórios. Olhando para o futuro, é possível que missões não projetadas para esse fim também possam ser usadas como detectores de ondas gravitacionais.
Por exemplo, a sonda Gaia - que está ocupada criando o mapa 3D mais detalhado da Via Láctea - também pode ser fundamental quando se trata de pesquisa de ondas gravitacionais. Foi o que uma equipe de astrônomos da Universidade de Cambridge afirmou recentemente. De acordo com o estudo, o satélite Gaia tem a sensibilidade necessária para estudar ondas gravitacionais de frequência ultra baixa, produzidas por fusões supermassivas de buracos negros.
O estudo, intitulado “Método de pesquisa astrométrica para fontes de ondas gravitacionais individualmente resolvíveis com Gaia”, apareceu recentemente no Cartas de Revisão Física. Liderada por Christopher J. Moore, físico teórico do Centro de Ciências Matemáticas da Universidade de Cambridge, a equipe incluiu membros do Instituto de Astronomia de Cambridge, do Laboratório Cavendish e do Instituto de Cosmologia Kavli.
Para recapitular, as ondas gravitacionais (GWs) são ondulações no espaço-tempo criadas por eventos violentos, como fusões de buracos negros, colisões entre estrelas de nêutrons e até o Big Bang. Originalmente previsto pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein, observatórios como LIGO e Advanced Virgo detectam essas ondas medindo a maneira como o espaço-tempo se flexiona e aperta em resposta aos GWs que passam pela Terra.
No entanto, passar GWs também faria a Terra oscilar em sua localização em relação às estrelas. Como resultado, um telescópio espacial em órbita (como Gaia) seria capaz de perceber isso observando uma mudança temporária na posição de estrelas distantes. Lançado em 2013, o observatório Gaia passou os últimos anos conduzindo observações de alta precisão das posições das estrelas em nossa galáxia (também conhecida como astrometria).
Nesse aspecto, Gaia procuraria pequenos deslocamentos no enorme campo de estrelas que está monitorando para determinar se ondas gravitacionais passaram pela vizinhança da Terra. Para investigar se Gaia estava ou não à altura, Moore e seus colegas realizaram cálculos para determinar se o telescópio espacial Gaia tinha a sensibilidade necessária para detectar GWs de frequência ultra baixa.
Para esse fim, Moore e seus colegas simularam ondas gravitacionais produzidas por um buraco negro supermassivo binário - ou seja, duas SMBHs orbitando umas às outras. O que eles descobriram foi que, compactando os conjuntos de dados por um fator superior a 106 (medindo 100.000 estrelas em vez de um bilhão de cada vez), os GWs poderiam ser recuperados dos dados de Gaia com apenas 1% de perda de sensibilidade.
Este método seria semelhante ao usado em Pulsar Timing Arrays, onde um conjunto de pulsares de milissegundos é examinado para determinar se as ondas gravitacionais modificam a frequência de seus pulsos. No entanto, neste caso, as estrelas estão sendo monitoradas para verificar se estão oscilando com um padrão característico, em vez de pulsar. Observando um campo de 100.000 estrelas por vez, os pesquisadores seriam capazes de detectar movimentos aparentes induzidos (veja a figura acima).
Por esse motivo, a liberação completa dos dados de Gaia (programada para o início dos anos 2020) provavelmente será uma grande oportunidade para quem procura sinais GW. Como Moore explicou em um APS Physics Comunicado de imprensa:
“Gaia fará da medição desse efeito uma perspectiva realista pela primeira vez. Muitos fatores contribuem para a viabilidade da abordagem, incluindo a precisão e a longa duração das medições astrométricas. Gaia observará cerca de um bilhão de estrelas ao longo de 5 a 10 anos, localizando cada uma delas pelo menos 80 vezes durante esse período. Observar tantas estrelas é o grande avanço fornecido por Gaia. ”
Também é interessante notar que o potencial para detecção de GW era algo que os pesquisadores reconheceram quando Gaia ainda estava sendo projetado. Um desses indivíduos foi Sergei A. Klioner, pesquisador do Observatório Lorhrmann e líder do grupo Gaia na TU Dresden. Como ele indicou em seu estudo de 2017, "Astrometria do tipo Gaia e ondas gravitacionais", Gaia pôde detectar GWs causados pela fusão de SMBHs anos após o evento:
“Está claro que as fontes mais promissoras de ondas gravitacionais para detecção astrométrica são buracos negros binários supermassivos no centro das galáxias… Acredita-se que os buracos negros supermassivos binários sejam um produto relativamente comum da interação e fusão de galáxias no curso típico de sua evolução. Esse tipo de objeto pode gerar ondas gravitacionais com frequências e amplitudes potencialmente ao alcance da astrometria espacial. Além disso, as ondas gravitacionais desses objetos costumam ser consideradas como tendo freqüência e amplitude praticamente constantes durante todo o período de observações de vários anos. ”
Mas é claro que não há garantias de que a análise dos dados de Gaia revele sinais adicionais de GW. Por um lado, Moore e seus colegas reconhecem que as ondas nessas frequências ultra baixas podem ser fracas demais para Gaia detectar. Além disso, os pesquisadores deverão ser capazes de distinguir entre GWs e sinais conflitantes que resultam de mudanças na orientação da sonda - o que não é um desafio fácil!
Ainda assim, há esperança de que missões como Gaia sejam capazes de revelar GWs que não são facilmente visíveis para detectores interferométricos terrestres como LIGO e Advanced Virgo. Esses detectores estão sujeitos a efeitos atmosféricos (como refração) que os impedem de ver ondas de frequência extremamente baixa - por exemplo, as ondas primordiais produzidas durante a época inflacionária do Big Bang.
Nesse sentido, a pesquisa de ondas gravitacionais não é diferente da pesquisa de exoplanetas e de muitos outros ramos da astronomia. Para encontrar as jóias escondidas, os observatórios podem precisar levar espaço para eliminar a interferência atmosférica e aumentar sua sensibilidade. É possível, então, que outros telescópios espaciais sejam reequipados para a pesquisa GW e que os detectores GW da próxima geração sejam montados a bordo de naves espaciais.
Nos últimos anos, os cientistas passaram da primeira detecção de ondas gravitacionais ao desenvolvimento de novas e melhores maneiras de detectá-las. Nesse ritmo, não demorará muito para que astrônomos e cosmólogos sejam capazes de incluir ondas gravitacionais em nossos modelos cosmológicos. Em outras palavras, eles serão capazes de mostrar qual a influência dessas ondas na história e evolução do Universo.
