O tremor menor que um próton que o LIGO leu

Em 14 de setembro de 2015, dois detectores a 3.000 km de distância registraram a mesma vibração de 0,2 segundo, com 7 milissegundos entre eles.

Os braços de 4 km que leram a onda

# O tremor menor que um próton que o LIGO leu

Às 9h50min45s no horário universal de 14 de setembro de 2015, um detector instalado num descampado da Luisiana registrou uma oscilação que durou dois décimos de segundo. Sete milissegundos depois, outro detector, montado no estado de Washington, a cerca de três mil quilômetros de distância, registrou exatamente a mesma oscilação, com o mesmo desenho e a mesma duração.

A forma do sinal era peculiar. A frequência subiu de 35 para 250 hertz enquanto a amplitude crescia, tudo isso na fração de segundo final, e então o traço parou de repente, com um resto curto de vibração amortecida. Convertido em som, o registro cabe num assobio ascendente que termina num estalo, o tipo de coisa que se ouve inteira antes de piscar.

O que passou pela Terra naquela manhã tinha saído de dois buracos negros, com massas em torno de 36 e 29 vezes a do Sol, girando um em volta do outro até se fundirem num só. O evento aconteceu a aproximadamente 1,3 bilhão de anos-luz daqui, o que significa que a perturbação viajou por 1,3 bilhão de anos antes de cruzar o detector.

O balanço energético da fusão é o dado que costuma travar a leitura. O buraco negro resultante ficou com cerca de 62 massas solares, e as três massas solares que faltam na conta não sumiram: viraram energia, despejada no espaço em forma de ondulação do próprio espaço-tempo, com um pico de potência maior que a luz somada de todas as estrelas do universo observável.

Toda essa violência chegou aqui como um cochicho. A deformação medida no instrumento foi de uma parte em 10 elevado a 21, ou seja, uma haste de quatro quilômetros mudou de comprimento em cerca de 10 elevado a menos 18 metro, menos de um décimo de milésimo do diâmetro de um próton. Albert Einstein previu essas ondas em 1916 e passou décadas duvidando que alguém pudesse medi-las.

O ponto de partida é entender que aparelho consegue enxergar uma variação de comprimento mil vezes menor que o núcleo de um átomo sem se afogar no próprio tremor do planeta.

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I  O Mecanismo

A régua de luz que conta franjas de interferência

O instrumento não mede distância com trena, e sim com a própria luz. Um feixe de laser bate num divisor de feixe e se parte em dois, cada metade percorre um braço de quatro quilômetros em ângulo reto com o outro, os dois voltam e se recombinam num detector de fótons no ponto de saída.

Quando os dois braços têm exatamente o mesmo comprimento, as duas metades voltam em oposição de fase e se cancelam, então a saída fica escura. Se uma onda gravitacional passa, ela estica uma direção do espaço e comprime a outra, os braços deixam de ser iguais por um instante e um pingo de luz aparece onde deveria haver escuridão.

A sensibilidade não sai do tamanho do braço sozinho. Cada braço é uma cavidade óptica fechada por espelhos, e a luz vai e volta cerca de trezentas vezes antes de sair, o que transforma quatro quilômetros em um caminho efetivo de mais de mil quilômetros e multiplica na mesma proporção a mudança de fase que a onda produz.

Também é preciso muita luz. Um sistema de reciclagem devolve para dentro os fótons que iriam embora, e a potência que circula nos braços chega à ordem de centenas de quilowatts, partindo de um laser de dezenas de watts. Quanto mais fótons chegam ao detector, menor é a flutuação estatística da contagem, e é essa flutuação que fixa o piso do que dá para enxergar.

Os números do instrumento:

O adversário do projeto é a vibração de tudo o mais. Caminhão na estrada, onda quebrando na costa a centenas de quilômetros, árvore balançando e microssismo do planeta produzem deslocamentos bilhões de vezes maiores que o sinal procurado, e nenhum deles pode chegar aos espelhos.

A solução foi pendurar o espelho em vez de apoiá-lo. Cada massa de teste fica suspensa por um pêndulo de quatro estágios, com fibras finas de sílica fundida no último, dentro de uma plataforma com isolamento ativo que empurra na direção contrária ao tremor medido, e tudo dentro de um tubo em vácuo mais rarefeito que o de muitos experimentos de laboratório.

A prova final de que um tremor é astronômico vem da geografia. Um caminhão passando em Livingston não sacode Hanford, então só um sinal que aparece nos dois sítios, com a mesma forma e dentro da janela de dez milissegundos que a luz leva para cruzar a distância entre eles, tem chance de ter vindo de fora.

II  Por que Importa

Um sentido novo apontado para fora

Toda a astronomia anterior a 2015 foi feita com luz, em algum comprimento de onda. Rádio, infravermelho, visível, raio X e raio gama são todos o mesmo mensageiro em energias diferentes, e todos são bloqueados, espalhados ou distorcidos pela matéria que encontram pelo caminho.

A onda gravitacional é outro mensageiro. Ela não é luz viajando pelo espaço, é uma deformação do espaço propagando-se, e a matéria comum é quase transparente para ela, o que significa que o sinal chega praticamente intacto do lugar e do instante em que nasceu.

A consequência prática é enxergar o que não brilha. Dois buracos negros se fundindo não emitem luz nenhuma, então aquele evento de 2015 era, pelos meios anteriores, invisível por definição; o LIGO entregou de uma vez a primeira observação direta de onda gravitacional e a primeira observação direta de um par de buracos negros.

Houve também um teste de física fundamental embutido. A forma exata da subida de frequência, do pico e do amortecimento final bate com o que a relatividade geral prevê para campo gravitacional forte e velocidade próxima à da luz, um regime que nenhum experimento de laboratório e nenhuma órbita do sistema solar consegue sondar.

Dois anos depois veio a demonstração mais vistosa do método. Em agosto de 2017, a fusão de duas estrelas de nêutrons foi captada em onda gravitacional e, cerca de dois segundos depois, em raio gama, e telescópios no mundo inteiro apontaram para a mesma região do céu e viram o clarão desaparecendo, o que amarrou de vez a produção de elementos pesados a esse tipo de colisão.

A técnica também entrega um instrumento de medida cósmico. A amplitude do sinal informa a distância da fonte sem depender da escada de referências usada na astronomia óptica, o que dá uma via independente para medir a taxa de expansão do universo, hoje um dos números mais disputados da área.

Existe ainda o retorno de engenharia. Espelho com perda óptica extremamente baixa, isolamento sísmico ativo, controle de fase de laser e leitura de sinal abaixo do limite quântico padrão são tecnologias que nasceram ou amadureceram nesse esforço e já vazaram para metrologia, para óptica de precisão e para sensor inercial.

Fica, por fim, uma correção de intuição. O ouvido humano ignora rotineiramente vibrações que o corpo inteiro sofre, e a lição do detector é que a barreira entre o mensurável e o inacessível quase nunca é a natureza do fenômeno, e sim o nível de teimosia com que o instrumento foi construído.

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III  A Fonte

Physical Review Letters 2016, o sinal batido em dois sítios

Physical Review Letters, volume 116, artigo 061102, publicado em 11 de fevereiro de 2016. O trabalho é assinado pela LIGO Scientific Collaboration e pela Colaboração Virgo, com mais de mil autores, e descreve o evento que ficou catalogado como GW150914, o nome vindo da data do registro.

O sinal foi encontrado por dois caminhos independentes. Um algoritmo de busca genérica, que procura excesso de energia coerente entre os dois sítios sem supor a forma do sinal, disparou em poucos minutos; em paralelo, a busca por filtro casado comparou o registro com um banco de formas de onda calculadas a partir da relatividade geral e encontrou a que encaixava.

A extração dos parâmetros veio dessa comparação. As massas iniciais, a massa e o giro do buraco negro final e a distância da fonte saíram do ajuste entre o dado e as soluções numéricas das equações de campo, um trabalho de simulação que levou décadas para ficar confiável.

O crivo estatístico foi construído para ser hostil. Deslocando artificialmente no tempo o registro de um sítio em relação ao outro, a colaboração fabricou milhares de anos de dado de fundo em que nenhuma coincidência real pode existir, e nesse fundo nada tão forte quanto o evento apareceu.

O resultado dessa contagem é o número citado até hoje. A taxa de alarme falso ficou abaixo de um evento a cada 203 mil anos, o que corresponde a uma significância acima de 5,1 desvios padrão, o patamar convencional para a área declarar detecção.

Havia um motivo institucional para tanto rigor. O projeto mantinha um procedimento de injeção cega, em que um punhado de pessoas podia inserir um sinal falso no dado sem avisar o resto da equipe, justamente para treinar a análise, e o grupo precisou verificar que aquele registro não era um exercício antes de acreditar nele.

O reconhecimento veio rápido. Em 2017, o Nobel de Física foi para Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne, pela concepção e pela construção do detector, num projeto que passou por mais de quatro décadas entre a proposta e a primeira leitura.

A confirmação mais forte, porém, foi a repetição. O evento de 2015 deixou de ser caso único: as campanhas de observação seguintes, já com o detector Virgo na Itália somando-se à rede, acumularam dezenas de fusões catalogadas, e o que era descoberta virou levantamento estatístico de população de buracos negros.

O ponto de método fecha o caso. A conclusão não saiu de um traço bonito num gráfico: dois instrumentos independentes a três mil quilômetros, duas análises com premissas diferentes, um fundo estatístico fabricado para tentar derrubar o próprio achado, dados brutos abertos para reanálise externa e uma previsão teórica de 1916 que só precisava de um aparelho à altura.

"Quantos sinais atravessam você agora mesmo, intactos, esperando apenas um instrumento teimoso o bastante para contá-los?"

Continue curioso. Mirabile dictu.

CIÊNCIA BIZARRA

Parece mentira. Mas é real e está provado