Cientistas detectaram pela primeira vez ondulações no espaço conhecidas como ondas gravitacionais a partir da fusão de dois buracos negros em setembro de 2015. Essa descoberta acabou com uma busca de cem anos para comprovar uma das previsões de Einstein. Dois anos após esse momento decisivo na física, veio outro avanço no final do verão, em agosto de 2017: a primeira detecção de ondas gravitacionais acompanhadas por ondas eletromagnéticas a partir da fusão de duas estrelas de nêutrons.
As ondas gravitacionais são empolgantes para os cientistas porque fornecem uma visão completamente nova do Universo. A astronomia convencional depende de ondas eletromagnéticas – como a luz – mas as ondas gravitacionais são uma mensageira independente que pode originar de objetos que não emitem luz. A detecção de ondas gravitacionais desbloqueou o lado escuro do universo, dando aos cientistas acesso a fenômenos nunca antes observados.
Descoberta se junta à lista dos maiores sucessos do detector Ligo, que há dez anos se tornou o primeiro a constatar ondas gravitacionais. Foto: AURORE SIMONNET (SSU/EDEON)/LVK/URI
Como físico especializado em ondas gravitacionais com mais de 20 anos de experiência em pesquisa na Colaboração Científica Ligo, pude observar diretamente como essas descobertas transformaram o conhecimento dos cientistas sobre o universo.
Neste verão, em 2025, os cientistas da colaboração Ligo, Virgo e Kagra também marcaram um novo marco. Após uma longa pausa para atualizar seus equipamentos, essa colaboração acabou de divulgar uma lista atualizada de descobertas de ondas gravitacionais. As descobertas dessa lista oferecem aos pesquisadores uma visão sem precedentes do Universo, incluindo, entre outras coisas, a detecção mais clara de ondas gravitacionais até hoje.
O que são ondas gravitacionais?
Albert Einstein previu pela primeira vez a existência de ondas gravitacionais em 1916. De acordo com a teoria da gravidade de Einstein, conhecida como relatividade geral, objetos celestes massivos e densos curvam o espaço e o tempo. Quando esses objetos massivos, como buracos negros e estrelas de nêutrons – produto final de uma supernova – orbitam entre si, eles formam um sistema binário.
O movimento desse sistema estica e comprime dinamicamente o espaço ao redor desses objetos, enviando ondas gravitacionais pelo universo. Essas ondas alteram levemente a distância entre outros objetos do universo à medida que passam.
Detectar ondas gravitacionais requer medir distâncias com extrema precisão. A colaboração Ligo, Virgo e Kagra opera quatro observatórios de ondas gravitacionais: dois observatórios Ligo nos EUA, o observatório Virgo na Itália e o observatório Kagra no Japão. Cada detector possui braços em formato de “L” com mais de três quilômetros de extensão. Cada braço contém uma cavidade cheia de luz laser refletida que mede com precisão a distância entre dois espelhos.
À medida que uma onda gravitacional passa, ela altera a distância entre os espelhos em 10^-18 metros — apenas 0,1% do diâmetro de um próton. Astrônomos podem medir como os espelhos oscilam para rastrear a órbita dos buracos negros. Essas pequenas mudanças na distância codificam uma enorme quantidade de informações sobre sua origem. Elas podem nos informar as massas de cada buraco negro ou estrela de nêutrons, sua localização e se estão girando em torno de seu próprio eixo.
Uma fusão de estrela de nêutrons e buraco negro
Como mencionado anteriormente, a colaboração Ligo, Virgo e Kagra relatou recentemente 128 novas fusões binárias a partir de dados coletados entre 24 de maio de 2023 e 16 de janeiro de 2024 – mais do que dobrando a contagem anterior.
Entre essas novas descobertas está uma fusão de estrela de nêutrons com buraco negro. Essa fusão consiste em um buraco negro relativamente leve, com massa entre 2,5 e 4,5 vezes a massa do nosso Sol, acompanhado de uma estrela de nêutrons com 1,4 vezes a massa do Sol.
Nesse tipo de sistema, os cientistas teorizam que o buraco negro rasga a estrela de nêutrons antes de engoli-la, liberando ondas eletromagnéticas. Infelizmente, a colaboração não conseguiu detectar tais ondas eletromagnéticas nesse sistema específico. Detectar um equivalente eletromagnético de um buraco negro rasgando uma estrela de nêutrons está entre os “santos grais” da astronomia e astrofísica.
Essas ondas eletromagnéticas forneceriam os conjuntos de dados necessários para compreender tanto as condições extremas presentes na matéria quanto a gravidade extrema. Os cientistas esperam ter mais sorte da próxima vez que os detectores identificarem um sistema desse tipo.
Um binário massivo e ondas gravitacionais claras
Em julho de 2025, a colaboração Ligo, Virgo e Kagra também anunciou que havia encontrado a fusão de buracos negros binários mais massiva já detectada. A massa combinada desse sistema é mais de 200 vezes a massa do nosso Sol. E um dos dois buracos negros desse sistema provavelmente possui uma massa que os cientistas anteriormente assumiam não poder ser produzida a partir do colapso de uma única estrela.
A descoberta mais recente anunciada pela colaboração Ligo, Virgo e Kagra, em setembro de 2025, é a observação de ondas gravitacionais mais clara até hoje. Esse evento é quase uma réplica da primeira observação de ondas gravitacionais de 10 anos atrás, mas, como os detectores do Ligo melhoraram na última década, ele se destaca três vezes mais acima do ruído do que a primeira descoberta.
Como o sinal da onda gravitacional observada é tão claro, os cientistas puderam confirmar que o buraco negro final formado pela fusão emitiu ondas gravitacionais exatamente como deveria, de acordo com a relatividade geral.
Eles também mostraram que a área superficial do buraco negro final era maior do que a área combinada dos buracos negros iniciais, o que implica que a fusão aumentou a entropia, de acordo com os trabalhos fundamentais de Stephen Hawking e Jacob Bekenstein. Entropia mede quão desordenado está um sistema. Todas as interações físicas devem aumentar a desordem do universo, segundo a termodinâmica. Essa descoberta recente mostrou que os buracos negros obedecem às suas próprias leis, semelhantes à termodinâmica.
O início de um legado mais longo
O quarto período de observação da colaboração Ligo, Virgo e Kagra está em andamento e deve durar até novembro. Meus colegas e eu antecipamos mais de 100 descobertas adicionais no próximo ano. Novas observações a partir de 2028 podem elevar o número de fusões binárias para até 1.000 por volta de 2030, se a colaboração mantiver seu financiamento.
A observação de ondas gravitacionais ainda está em sua infância. Uma atualização proposta para o Ligo, chamada A#, pode aumentar a taxa de detecção de ondas gravitacionais por um fator de 10. Novos observatórios propostos, chamados Cosmic Explorer e Einstein Telescope, que podem ser construídos em 10 a 20 anos, aumentariam a taxa de detecção de ondas gravitacionais em 1.000 vezes em relação à taxa atual, reduzindo ainda mais o ruído no detector./AP
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