Vítor Cardoso: “Este é o acontecimento do último século em ciência"

Professor e investigador do Centro Multidisciplinar de Astrofísica e Gravitação (Centra) do Instituto Superior Técnico, em Lisboa, Vítor Cardoso investiga os buracos negros e as ondas gravitacionais.

O físico Vítor Cardoso
O físico Vítor Cardoso Ana Sousa
Uma das instalações do observatório LIGO, em Hanford, no estado de Washington
Uma das instalações do observatório LIGO, em Hanford, no estado de Washington LIGO
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Até ao ano passado, Vítor Cardoso esteve ligado à experiência internacional de detecção de ondas gravitacionais nos Estados Unidos, que decorre no observatório LIGO, a sigla de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Essa ligação existia através da Universidade do Mississípi, onde em 2007 criou com outro colega um grupo para participar no LIGO. Mas como nos últimos anos o físico português ganhou duas superbolsas europeias no valor total de 2,5 milhões de euros, para investigar as equações de Einstein, com a ajuda de um supercomputador, o seu grupo no Instituto Superior Técnico cresceu bastante e, em 2015, deixou de estar ligado à Universidade do Mississípi e ao LIGO. As ondas gravitacionais, nomeadamente a sua emissão por buracos negros, estrelas muito maciças que morreram e originaram objectos superdensos, fazem parte das suas investigações sobre as equações de Einstein.

Por que é que a detecção de ondas gravitacionais é uma grande notícia científica? Por que é tão importante ter conseguido detectá-las?
Por muitas razões. As ondas gravitacionais são (eram) o Santo Graal da física. Elas foram previstas há cerca de cem anos por Einstein, mas nunca foram detectadas cá na Terra. Portanto, este esforço representa, creio, a mais longa busca de sempre em ciência por uma previsão teórica. Este é realmente o acontecimento do último século em ciência!

Mas esta procura tem outras peculiaridades: uns anos depois de ter previsto as ondas gravitacionais, Einstein rejeitou-as, afirmando que afinal talvez pudessem ser um artefacto dos cálculos. Devido a isto, só décadas depois cientistas como Feynman, Bondi e Wheeler, entre outros, se atreveram a tocar no assunto e perceberam que elas têm de existir: qualquer teoria que esteja de acordo com a Teoria da Relatividade Restrita [de 1905, em que Einstein disse que não há nada mais rápido do que a luz] tem de prever uma velocidade de propagação máxima. Portanto, a gravidade também tem, e essa “coisa” que transporta a informação sobre a gravidade chama-se “onda gravitacional”. Foi assim que na década de 1960 se começou a construir os primeiros aparelhos para detectar estas ondas. Estamos há quase 60 anos nisto!

Finalmente, apesar de todos nós estarmos convencidos de que as ondas existiam, não há nada como as provas. E esta detecção agora abre o caminho para muita coisa, porque vai ser uma forma completamente nova e diferente de olhar para o nosso Universo inteiro. Estas ondas viajam quase livremente desde o local onde são produzidas até nós; portanto, vamos ter acesso ao que se passa na vizinhança de buracos negros, estrelas de neutrões e até ao início do Universo!

O que são exactamente estas ondas, também conhecidas por “mensageiros de Einstein”?
Elas são os mensageiros de Einstein porque transportam informação acerca da teoria de Einstein. Esta teoria diz-nos simplesmente como é que a gravidade funciona, desde a forma como uma pedra cai na Terra à forma como dois buracos negros chocam um com o outro. Albert Einstein foi a primeira pessoa a perceber que tinha de existir uma forma de a gravidade se propagar e a construir uma teoria sólida assente nesse princípio (apesar de mesmo Newton já ter pensado sobre o assunto). Por exemplo, o que acontece se de repente o Sol desaparecer? De acordo com a teoria de Newton (que era a descrição da gravidade até ao final de 1915), nós na Terra seríamos instantaneamente afectados: deixávamos de ter marés, a Terra deixava de andar em volta do Sol e morríamos todos congelados. Mas Einstein sabia que a informação tem uma velocidade finita, tinha de haver uma entidade que leva a informação sobre o desaparecimento do Sol. A esta entidade chamamos "ondas gravitacionais". Por coincidência, elas propagam-se à velocidade da luz, o que significa que a Terra sentiria a falta do Sol cerca de oito minutos depois de ele desaparecer.

A Teoria da Relatividade de Einstein diz que espaço e tempo são um único tecido, uma única entidade, e que as ondas gravitacionais são flutuações desta entidade. Uma boa analogia é imaginarmos que o Universo é o tecido de uma camisola. E que nós e tudo o que existe no Universo somos os desenhos pintados na camisola. Se puxar o tecido da camisola, os desenhos ficam mais ou menos esticados. Puxões que viajam no tecido são as ondas gravitacionais.

Talvez uma forma simples de pensar nestas ondas seja como ondas que transportam forças, tal como quaisquer outras ondas. Por exemplo, se uma onda do oceano passar por um barco, o barco vai oscilar (e às vezes afunda-se). Se uma onda gravitacional passar por nós, faz exactamente o mesmo: exerce uma força sobre nós, que nos estica ou comprime [na imagem seguinte, uma ilustração da NASA de como seriam as ondas gravitacionais se as pudéssemos ver].

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Por que tem sido tão difícil “apanhá-las”?
As ondas gravitacionais, tal como as ondas do mar, são tanto mais importantes quanto maiores forem. As ondas gravitacionais são fortes quando são criadas, por exemplo, pelo choque entre dois buracos negros, mas como estes corpos estão muito longe de nós, a onda é muito fraca quando chega à Terra (tal qual o som, quanto mais distantes estivermos de uma pessoa a falar, mais débil é o som dessa pessoa). Para se ter uma ideia, se uma onda destas passar pela Terra, vai fazer com que o raio da Terra [com mais de 6350 quilómetros] varie cerca de 0,0000000000001 metros... Isto é, menos do que o tamanho de um átomo! Por isso é que é tão complicado apanhá-las, e por isso é que foi preciso construir um aparelho tão sofisticado quanto o LIGO.

Que tipo de ondas gravitacionais é que detectou agora o observatório LIGO?
Para se detectarem estas ondas, precisamos de ondas grandes. Ora, ondas grandes só são produzidas por objectos muito pesados e que se movam a grandes velocidades, como buracos negros, estrelas de neutrões ou mesmo o nosso Universo quando estava a crescer de forma inflacionária [nos primeiros instantes após o Big Bang, há 13.800 milhões de anos]. Neste caso particular, o LIGO detectou ondas vindas da colisão entre dois buracos negros. Segundo julgo saber, um dos buracos negros tinha cerca de 29 vezes a massa do nosso Sol e o outro cerca de 36 vezes.

Em Março de 2014, um outro grupo de cientistas, da experiência BICEP 2, no Pólo Sul, anunciou que, pela primeira vez, se tinha conseguido detectar ondas gravitacionais de forma directa. Mas mais tarde verificou-se que esse resultado estava errado e que o erro tinha sido básico: não se tinha retirado aos dados a interferência das poeiras da nossa própria galáxia. Outro resultado refutado seria um grande balde de água fria na história das ondas gravitacionais?
Concordo. E a história tem ainda mais surpresas: já na década de 1970 houve anúncios de detecção que depois se verificou serem falsos. Contudo, mostra também a beleza da ciência: não há nenhum resultado que não seja testado. A história vai guardar apenas a verdade, isto é, aquilo que outras equipas e cientistas conseguirem reproduzir. Dito isto, o LIGO trabalha há décadas para este dia, e estou convencido de que este acontecimento existiu e que o que eles viram foi realmente uma onda gravitacional.

Na experiência BICEP 2 pensava-se que se tinham detectado ondas gravitacionais, não originadas por objectos muito maciços como buracos negros, mas vindas dos primórdios do Universo produzidas pelo Big Bang. A detecção de ondas gravitacionais primordiais, a ter-se confirmado, teria sido mais importante do que a de ondas criadas por objectos maciços? Ou seja, a detecção de ondas gravitacionais primordiais teria resolvido mais problemas cosmológicos?
Com certeza que a detecção de ondas gravitacionais primordiais poderia ter iluminado alguns problemas em cosmologia, como, por exemplo, a existência de uma época inflacionária [no início do Universo] ou mesmo a natureza quântica da gravidade. Contudo, esta detecção do LIGO é, na minha opinião, muito mais importante. Mostra que existem buracos negros em colisão no nosso Universo e mostra que a tecnologia funciona. O que isto quer dizer na prática é que agora podemos melhorar a tecnologia com confiança, e a detecção de ondas vai ser tão corriqueira como pegar num telescópio e olhar para a Lua: dentro de poucos anos vamos poder usufruir da astronomia das ondas gravitacionais e ver centenas de colisões entre buracos negros, que nos vão permitir, por exemplo, testar a teoria de Einstein, mas também perceber o que é que povoa o Universo... E quem sabe ter mais algumas pistas sobre a matéria escura, a matéria que conhecemos apenas pela acção da sua gravidade. Finalmente, o facto de sabermos que este tipo de tecnologia funciona pode, e vai com certeza, abrir as portas a outros detectores que sejam sensíveis às ondas primordiais e, aí sim, podemos saber mais sobre a origem do Universo.

Einstein não falou de ondas gravitacionais primordiais. Nem poderia ter falado, porque na altura em que desenvolveu a Teoria da Relatividade Geral tinha-se a visão (errada) de que o Universo era estático: não tinha havido Big Bang e o Universo sempre foi como o conhecemos e sempre seria assim...
O que só mostra como errar é humano. Aliás, como já disse, a grande beleza da ciência e a razão pela qual o edifício científico se tem aguentado durante milhares de anos é porque nas paredes desta casa científica só ficam os tijolos que outros cientistas verifiquem ser sólidos. Mesmo Einstein errava, mas isso não impede o progresso da ciência, que é feito através do diálogo e de testes e experiências, tal como todos os problemas, que têm de ser resolvidos racionalmente. Parafraseando Newton: os erros não estão na arte, mas nos artistas.

Como é que o LIGO, que é composto por duas grandes instalações de detecção nos EUA, procura as ondas gravitacionais?
Como as ondas gravitacionais transportam a força de gravidade, a forma mais fácil de as detectar é medir o movimento dos objectos por onde elas passam. Claro que isto é mais fácil de dizer do que de fazer. O LIGO são dois braços em forma de L com um espelho na extremidade de cada braço. Cada braço tem cerca de quatro quilómetros e dentro de cada um circula um feixe laser, que é reflectido no espelho. O LIGO mede basicamente a variação no trajecto do laser quando passa uma onda gravitacional, isto é, mede a variação no comprimento dos braços do L. Infelizmente, uma onda gravitacional, ao passar, muda o comprimento dos braços por menos do tamanho de um electrão... Até aviões ou comboios a passar ao pé do detector têm efeitos bem maiores. Portanto, é preciso isolar tudo muito bem. Este L está dentro de um tubo, onde se fez o vácuo mais perfeito do Universo, e o tubo está assente em amortecedores para se isolar o ruído sísmico.

Além disso, o LIGO construiu também um outro detector igual separado por milhares de quilómetros: um está no Louisiana e o outro no estado de Washington. Assim, se uma onda gravitacional passar, vai mexer os quatro braços simultaneamente (ou quase) e da mesma forma. Só estamos convencidos de que uma onda passou se ambos os L variarem da mesma forma e ao mesmo tempo.

Há quase um ano, tinha dito numa entrevista ao PÚBLICO que acreditava que o LIGO iria fazer a primeira detecção directa destas ondas daí a um ano ou dois. E que, se nada fosse detectado até 2017, então ou o Universo era completamente diferente da forma como o vemos actualmente ou a teoria de Einstein estava seriamente errada. Por que tinha tanta “certeza” de que a detecção de ondas gravitacionais iria acontecer em breve?
Na realidade, tinha uma esperança secreta de que não fossem detectadas e que tudo o que pensamos saber sobre o Universo tivesse de ser revisto. Mas as provas indirectas que já existiam para as ondas gravitacionais eram fortes de mais. Há décadas que Russell Hulse e Joseph Taylor mediram muito cuidadosamente o movimento orbital de duas estrelas de neutrões [em volta uma da outra]. Eles mediram o ano de uma destas estrelas e viram que estava a diminuir! O que é poderia causar isto? Se olharmos para o nosso sistema solar, Mercúrio tem um ano mais pequeno do que a Terra, e Mercúrio está mais perto do Sol. Isto significa que as estrelas que Hulse e Taylor observaram estavam a aproximar-se uma da outra. E eles lembraram-se de que talvez isto acontecesse porque o sistema emitia ondas gravitacionais. Como estas ondas transportam energia, então as duas estrelas estavam a perder energia e portanto tinham de ficar mais próximas... E isto deu-lhes o Prémio Nobel em 1993, porque a previsão da teoria de Einstein correspondia muito precisamente ao que eles observaram. Portanto, havia fortes indícios destas ondas, apesar de nunca terem sido medidas, directamente, cá na Terra.

O LIGO começou a funcionar há anos. Até agora, ainda não tinha conseguido detectar ondas gravitacionais. O que mudou para que isso tenha sido possível?
O LIGO entretanto ficou melhor. Há cerca de dois anos, parou para ser melhorado. O sistema de amortecimento, que isola o L do resto do mundo, ficou mais sofisticado e mesmo a forma de medir a variação do comprimento ficou mais sofisticada e chegou até ao limite quântico. Há menos de um ano, a versão melhorada do LIGO entrou em funcionamento e conseguia medir ondas três vezes mais pequenas do que anteriormente. E isto fez a diferença!

Tal como os buracos negros e a matéria escura, as ondas gravitacionais fazem parte dos seus trabalhos de investigação?
O meu grupo tenta entender uma parte mais conceptual: ao detectarmos ondas que vêm de buracos negros, o que é que isto nos diz acerca da teoria de Einstein? Por exemplo, estes buracos negros são mesmo os previstos pela teoria de Einstein? E temos a certeza de que são mesmo buracos negros? São este tipo de questões que tentamos agora atacar. Temos um grande projecto europeu entre várias universidades aprovado nesta área e estamos a submeter um outro especificamente sobre ondas gravitacionais. Os próximos anos vão ser incrivelmente excitantes e divertidos, disso não há dúvida!

Perante o anúncio de que as ondas gravitacionais foram finalmente detectadas, o que imagina que nos diria agora Einstein, ele que chegou a duvidar de que elas existissem?
Imagino que abrisse uma garrafa de champanhe e brindasse ao Universo e à sua teoria... Como ele próprio disse: “Se nunca erraste, é porque nunca tentaste nada de novo.”