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​O que é um Detector de Ondas Gravitacionais e por que Vamos Enviá-lo ao Espaço?

Imagine que universo hoje seja como uma TV sem áudio. Ao estudarmos as ondas gravitacionais, ligaremos o som: adicionaremos uma nova dimensão às observações.
11.9.15
Desenho artístico da LISA Pathfinder. Crédito: ESA. D-Ducros, 2010.

No fim deste ano, a Agência Espacial Europeia (ESA) fará uma missão de demonstração que pode levar os astrofísicos a observar o universo de um modo completamente novo. A missão, intitulada "LISA Pathfinder", testará novas tecnologias para detectar ondas gravitacionais no espaço.

Cabe aqui a definição: ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo. Elas foram previstas pela teoria da relatividade geral de Einstein, porém, no momento, só temos evidências indiretas de sua existência. Não conseguimos detectá-las.

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"Passamos muito tempo observando através do espectro eletromagnético e aprendemos uma grande quantidade de informação sobre o que existe lá fora", me disse Paul McNamara, cientista de projeto na missão LISA Pathfinder.

Mas isso, diz ele, não é tudo. "Imagine assistir televisão hoje à noite e tirar o volume", falou McNamara. Ser capaz de estudar o universo por meio do estudo das ondas gravitacionais, afirma, deve ser como ligar o som: adicionaremos uma dimensão nova às observações.

Observando o universo "ultraviolento"

McNamara deu como exemplo os dois buracos negros supermassivos no centro de galáxias que se fundem, algo que não poderia ser observado anteriormente.

"A energia liberada pelas ondas gravitacionais durante os últimos minutos da fusão de uma dupla de buracos negros massivos é comparável ao total de energia emitido pela luz por todas as estrelas e galáxias através do cosmos ao mesmo tempo", escreveu a ESA.

"Até então, nunca tínhamos visto isso porque estamos olhando através do espectro eletromagnético e ele é bloqueado pelas galáxias que ficam no meio – assim como a poeira, os braços da galáxia, as estrelas", McNamara explicou. "Nunca vimos o que acontece no centro."

"Agora, com as ondas gravitacionais, podemos observar diretamente através de toda a poeira e o resto. Veremos realmente o que está acontecendo nesses eventos ultraviolentos do universo."

Testando a precisão

Podemos dizer que estamos avançando na missão atual. A LISA Pathfinder busca demonstrar que somos capazes de construir a tecnologia necessária ao testá-la em uma escala menor. O lançamento da missão LISA (Laser Interferometer Space Antenna) não acontecerá antes de 2034.

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O problema é que, enquanto as ondas gravitacionais podem se originar com eventos cósmicos violentos, seus efeitos mensuráveis são muito pequenos. "Como estamos medindo um efeito muito pequeno, se você deseja fazer seu detector de um metro de largura, você deve medir uma alteração na ordem dos 10 aos -21 metros", afirmou McNamara. Isso significa várias ordens de magnitude menor do que o tamanho de um único elétron.

E qual é a solução da ESA? Simples: construir um detector de milhões de quilômetros de distância. Assim eles só precisarão medir alterações de um "milionésimo de milionésimo" de metro.

Esses efeitos de onda gravitacionais serão detectados por meio da medição das pequenas alterações na distância entre duas massas de teste, o que é feito por meio do uso de interferometria a laser.

Enquanto as massas de testes estarão a cerca de um milhão de quilômetros de distância na missão LISA, a LISA Pathfinder visa demonstrar que é possível realizar essas medições pequenas e verá duas massas de teste lançadas na mesma espaçonave a 38 centímetros de distância uma da outra. O segredo é mostrar que as massas podem voar tranquilamente pelo espaço mantendo suas posições uma em relação à outra com precisão picométrica.

O primeiro laboratório de física no espaço

Como você pode imaginar, é um baita desafio tecnológico. Para detectar o efeito das ondas gravitacionais, as massas de teste não podem ser perturbadas por mais nada.

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A LISA Pathfinder utiliza dois cubos de platina de 4,6 centímetros como suas massas de teste. A liga de platina é utilizada porque é bastante densa e não é magnética. Dentro da espaçonave, os cubos flutuam livremente; eles não tocam o interior da nave assim que entram em órbita. A espaçonave ao redor dos cubos funciona para protegê-los de qualquer interferência – estamos falando de pequenas perturbações como fótons da luz do sol – para que fiquem em queda livre no vácuo do espaço, movimentados somente pelas ondas gravitacionais.

"Sabemos que podemos fazer isso muito bem; podemos isolá-los tranquilamente da pressão da radiação solar, o que não é difícil", afirmou McNamara. "O problema maior é que agora devemos construir uma espaçonave que não tenha ruído interno."

Por ruído interno ele quer dizer: sem ímãs, sem aço inoxidável (pois também é magnético) e tudo equilibrado para evitar gravidade externa da espaçonave. "Sabemos a massa de tudo o que colocamos na nave", afirmou McNamara. "Se usamos uma abraçadeira para lacrar algo, medimos o lacre antes de colocá-lo na nave, nós o colocamos, cortamos o excedente, medimos o que foi cortado e subtraímos – assim, sabemos exatamente o que está na espaçonave."

Com essa abordagem, a missão parece mais um laboratório de física do que uma missão de astrofísica, McNamara afirmou. "Será o primeiro laboratório de física no espaço."

A LISA Pathfinder foi empacotada em um contêiner de transporte na quinta-feira para ser levada à estação espacial da Europa na Guiana Francesa, e depois será lançada no fim do ano. Levará cerca de dois meses para completar sua órbita final ao redor do ponto de Lagrange L1, a 1,5 km de distância entre a Terra e o Sol. Assim que os cubos forem lançados em queda livre, não haverá movimento entre eles, se a tecnologia funcionar conforme planejado. A missão de teste, na realidade, não tentará detectar as ondas gravitacionais, pois ela não está em uma escala grande o suficiente para que possa ser medida.

A confiança de McNamara na missão é inabalável. "Estou muito confiante; acredito que vamos nos surpreender com o sucesso da missão", ele afirmou, acrescentando que os testes no solo foram executados com precisão muito maior do que a exigida.

"Começaremos a operar em março", ele continuou. "Espero que, na metade de março, estejamos escrevendo artigos para dizer 'olha como somos maravilhosos'."

Tradução: Amanda Guizzo Zampieri