O LISA, um observatório de ondas gravitacionais de US$ 1,6 bilhão programado para ser lançado na próxima década, vai revolucionar a maneira como vemos as ondas gravitacionais—pequenas perturbações no espaço-tempo previstas há mais de um século e detectadas pela primeira vez há apenas oito anos.
No outono, publicamos uma análise detalhada do design do LISA e dos desafios de engenharia que precisam ser superados para colocar essa nave futurista no espaço. Agora, perguntamos a cientistas sobre os dados que o LISA realmente coletará—quais insights esses dados podem oferecer e como essas descobertas podem mudar nossa compreensão do universo, desde as fontes das ondulações gravitacionais até a forma como essas reverberações moldam o cosmos.
LISA: simples, mas preciso
LISA é a sigla para Laser Interferometer Space Antenna (Antena Espacial de Interferômetro a Laser) e é composto por três espaçonaves orbitando o Sol em uma formação triangular fixa. O LISA é um interferômetro, o que significa que a missão detectará ondas gravitacionais usando interferometria a laser—medindo as distâncias entre massas com feixes de laser incrivelmente precisos, de cerca de 8 milhões de quilômetros de comprimento, com cada braço do triângulo do LISA medindo aproximadamente 2,5 milhões de km.
Os lasers são cruciais, mas são apenas uma parte do design do LISA—eles funcionam como réguas para medir a distância entre três cubos de metal, um em cada uma das três espaçonaves. Os cubos são feitos de uma liga de ouro e platina para minimizar o magnetismo que poderia atuar sobre eles. O objetivo do LISA é navegar pelo espaço sem que absolutamente nada toque nesses cubos além do espaço-tempo e das ondulações gravitacionais que nele viajam.
“A ideia básica por trás do design é que estamos lançando esses cubos,” disse Saavik Ford, astrofísica do Museu Americano de História Natural, em uma ligação com o Gizmodo. “Queremos que eles fiquem lá, experimentando a alegria do espaço-tempo sem outras forças atuando sobre eles, e é essa última parte que é a difícil.”
“Você precisa manobrar a nave enquanto as massas [os cubos de ouro e platina] estão caindo, para garantir que a espaçonave não derive e acabe colidindo com as massas, o que seria terrível,” acrescentou Ford.
Para entender a complexidade do LISA, o então estudante de pós-graduação de Ford, Jake Postiglione, tem uma analogia: o desafio técnico é como disparar um laser de Nova York até Los Angeles (se a Terra fosse plana) e tentar acertar o olho de uma mosca da fruta. E tanto o laser quanto a mosca estão se movendo durante essa operação.
A escala do desafio de engenharia é “francamente de tirar o fôlego,” disse Ford, “e estou muito feliz que não é da minha área.”
A NASA está fornecendo vários elementos da instrumentação do LISA, incluindo seu sistema de laser, sistemas de telescópio e dispositivos que gerenciarão os níveis de carga elétrica nos cubos de teste.
A frequência dos objetos em órbita é determinada por quantas vezes eles completam uma órbita completa entre si. Nossos detectores de ondas gravitacionais são bons para detectar certas frequências por vários motivos, mas todos os detectores existentes têm uma grande limitação: eles estão presos à Terra.
Um oráculo espacial para buracos negros antigos
Os detectores de ondas gravitacionais variam nos tipos de frequências orbitais que detectam. Detectores terrestres—principalmente a Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA—são excelentes para detectar altas frequências, que correspondem a massas menores, como buracos negros do tamanho de estrelas. Mas quando essas massas ficam um pouco maiores—digamos, mais de duzentas vezes a massa do nosso Sol—suas frequências orbitais caem em uma faixa semelhante ao ruído produzido pelo nosso próprio planeta.
“Existe basicamente uma frequência em que a própria Terra é tão barulhenta que o solo se torna o seu problema,” disse Ford. “Simplesmente não dá para fazer. Você tem que ir para o espaço, de um jeito ou de outro.”
No espaço, matrizes de temporização de pulsares são uma ferramenta útil para medir os maiores buracos negros, embora a Terra ainda faça parte da equação. Nesse arranjo, observatórios na Terra monitoram os flashes de luz confiáveis de objetos que giram rapidamente (pulsares); quando o tempo dessa luz até a Terra é ligeiramente atrasado ou adiantado, é um indicativo de que o espaço-tempo foi esticado ou comprimido por ondas gravitacionais. Em 2023, um grupo de colaborações de matrizes de temporização de pulsares encontrou fortes evidências de um fundo de ondas gravitacionais nos dados de pulsares.
Os buracos negros observados por essas matrizes geralmente têm bilhões de vezes a massa do Sol e residem no centro de galáxias monstruosas—eles são ainda maiores que Sagitário A*, o buraco negro no centro da Via Láctea, que tem cerca de quatro milhões de massas solares. Se buracos negros fossem mingau, o LISA seria a Cachinhos Dourados. A missão detectará ondas gravitacionais de baixa frequência que são praticamente impossíveis de diferenciar do ruído em detectores baseados na Terra. Além disso, o observatório espacial poderá detectar fusões de buracos negros massivos—buracos negros do tamanho de estrelas caindo em supermassivos—juntamente com binários íntimos de objetos compactos e outros surtos e fundos astrofísicos.
“Matrizes de temporização de pulsares nos dão informações sobre o fundo estocástico de binários de buracos negros massivos em frequências muito baixas, e o LIGO basicamente estabeleceu limites nas taxas de fusões de diferentes famílias de objetos compactos de massa estelar,” disse Emanuele Berti, físico teórico da Universidade Johns Hopkins, em uma videochamada com o Gizmodo. “O pensamento mudou de várias maneiras, mas eu diria que a ciência mais interessante que podemos fazer com o LISA está centrada nas fusões de binários de buracos negros massivos, porque isso é algo que simplesmente não conseguimos investigar da Terra.”
Evitando ruído no espaço
Embora o LISA tenha muito menos interferências no espaço do que na Terra—idealmente zero—o observatório ainda terá que filtrar o ruído cósmico. Existem objetos no universo que dificultam a visualização de buracos negros porque também emitem ondas gravitacionais. A forma mais irritante desses intrusos compactos são os binários de anãs brancas: conchas compactas de estrelas antigas que orbitam uma à outra e eventualmente se fundem, agitando o espaço-tempo como batedores em uma batedeira. A exceção a esse ruído será quando os binários forem tão pronunciados que possam ser identificados individualmente. Uma espada de dois gumes cósmica, esses “binários de verificação” ajudarão os astrônomos a confirmar as capacidades do LISA assim que a missão estiver em posição.
O LISA detectará simultaneamente o ruído de milhões de fontes, muitas das quais estão dentro da nossa galáxia, segundo a NASA. Os cientistas separarão o joio do trigo com a ajuda de uma enorme quantidade de processamento de dados e ajustando as informações a teorias e modelos existentes dos objetos conhecidos do universo. Com mais de uma década até o lançamento previsto do LISA, os cientistas estão trabalhando em desafios de dados simulados para se preparar para o cenário real.
Rastreando a evolução cósmica
“Na verdade, só existem duas perguntas na astrofísica, que são ‘como chegamos aqui?’ e ‘estamos sozinhos?’,” disse Ford. “Tudo o que fazemos é voltado para responder alguma pequena parte de uma ou outra, e ocasionalmente ambas, dessas perguntas.”
“Não estamos no jogo dos buracos negros, de modo geral, para responder qualquer coisa sobre ‘estamos sozinhos?’,” acrescentou Ford. “Mas o ‘como chegamos aqui’ é bem importante para entender esses buracos negros.”
Compreender o nascimento, a vida e a morte das estrelas—e o papel desses fornos de fusão nuclear na produção dos elementos—está inextricavelmente ligado à presença dos buracos negros. Além disso, os tipos de estrelas formados pelas galáxias e a quantidade em que se formam podem estar conectados à massa e ao comportamento dos buracos negros nos núcleos dessas galáxias. Buracos negros podem ser comedores bagunçados—frequentemente expelindo material estelar e lançando-o no espaço—tornando-os participantes ativos na evolução do universo ao seu redor.
“Existem vários artigos sobre os chamados Pequenos Pontos Vermelhos que indicam que há AGNs [núcleos galácticos ativos—os núcleos brilhantes das galáxias alimentados por buracos negros supermassivos] que provavelmente estão vindo de buracos negros massivos em processo de acreção,” disse Berti. “Todas essas evidências apontam mais uma vez que buracos negros massivos devem ter existido bem cedo na história do universo. Isso sempre foi um enigma, mas está se tornando ainda mais intrigante.”
As observações do Telescópio Espacial Webb dos Pequenos Pontos Vermelhos mostram as manchas de luz como eram quando o universo tinha entre 600 milhões e 1,5 bilhão de anos. Embora pesquisas recentes indiquem que os pontos são sinais do crescimento de buracos negros anteriormente ocultos no universo primitivo—e os modelos cosmológicos não estão “quebrados”, como sugeriram algumas manchetes—as observações do LISA ajudariam a revelar a verdadeira natureza dessas fontes de luz enigmáticas.
O LISA observará a agitação dos buracos negros e caracterizará melhor a variedade de objetos compactos em nosso universo. Essas informações também podem ser aplicadas a modelos cosmológicos existentes e teorias predominantes, como a relatividade geral de Einstein. Os dados concretos (por assim dizer—afinal, estamos falando do espaço) serão um teste rigoroso para essas ideias sobre o universo, uma das quais foi validada quando o LIGO detectou ondas gravitacionais pela primeira vez em 2015. Há muitos desconhecidos conhecidos na vastidão escura do espaço-tempo, mas os cientistas do LISA estão determinados a levantar o véu—nem que seja um pouco—sobre alguns dos mistérios mais fundamentais do universo.
