ONDAS DE GRAVIDADE E BURACOS NEGROS

Meu artigo no As Artes entre as Letras:

Um dos pontos altos de 2005 Ano Internacional da Luz foi a passagem em 25  de Novembro dos cem anos da teoria da relatividade geral de Albert Einstein, a teoria que tão bem descreve a força de atracção que todos os corpos, mas com mais intensidade os astros por terem massa maior, exercem entre si.

As ideias de Einstein diferiam bastante daquelas que Isaac Newton tinha avançado no século XVII. Para Newton o espaço e o tempo eram universais e estavam separados: eles eram os cenários onde ocorriam as forças de atracção gravitacional, descrita por uma fórmula simples: um corpo atrai outro na razão directa das massas e na razão inversa do quadrado da distância entre eles. Sobre a natureza dessa força, Newton não fez hipóteses.  Por seu lado, para Einstein o espaço e o tempo estavam relacionados.

Em vez de existir um espaço absoluto e um tempo absolutos, iguais para todos os observadores, o espaço e o tempo eram relativos, pois as suas medidas diferiam para dois observadores em movimento relativo. Mas já o espaço-tempo, uma entidade a quatro dimensões, possuía uma característica universal: uma certa combinação de medidas de espaço e de tempo era a mesma para todos os observadores. O movimento é relativo, mas a palavra “relatividade” engana pois o espaço-tempo tem um invariante, isto é, uma grandeza igual para todos os observadores.

Este é um resultado da teoria da relatividade restrita, formulada por Einstein em 1905. Porém, na teoria da relatividade geral de 1915, o espaço-tempo é moldado pela matéria e pela energia (de facto, no quadro da relatividade restrita, matéria e energia estão intimamente associadas). E a força da gravidade mais não era do que a deformação do espaço-tempo causada pela presença de uma massa. A matemática era mais complicada do que a de Newton, mas para Einstein a natureza da força gravitacional ficou clara: ela vinha da curvatura do espaço e do tempo em redor das massas. A teoria de Newton não estava completamente errada, mas a sua validade estava confinada ao domínio de massas pequenas. A observação dos céus revelou que, no domínio das grandes massas, Einstein estava certo e Newton errado: a mais famosa delas foi a que se realizou de um eclipse solar em 29 de Maio de 1919 na ilha do Príncipe, então  território colonial português.

Einstein conjecturou num artigo publicado em 22 de Junho de 1916  que poderiam existir ondas gravitacionais, semelhantes às ondas electromagnéticas, ou luz, que já se conheciam desde o século XIX. Uma oscilação de uma massa produzia um abanar da geometria do espaço-tempo que se propagaria à distância. Para o efeito ser apreciável era preciso que essa massa fosse extremamente grande.  Einstein não acreditou plenamente na realidade das suas ondas gravitacionais. Ao longo de vários anos voltaria a esse tema, procurando ultrapassar as suas dúvidas.  Faleceu em 1955 sem ter a certeza da existência de tais ondas. Após a morte de Einstein elas voltaram a ganhar a atenção dos físicos, tendo sido propostas engenhosas experiências para as detectar.

No mesmo ano de 1916, o físico alemão Karl Schwarzschild avançou com a ideia de um corpo extremamente maciço, que deformaria o espaço-tempo à sua volta de tal modo que se poderia dizer que o espaço e o tempo acabariam aí. Esta ideia não era inteiramente original pois já  John Michell e Pierre-Simon Laplace tinham, no século das Luzes, imaginado astros com uma massa tão grande que atrairiam tudo em seu redor, incluindo a própria luz. No início do século XX, pouca gente acreditou nos buracos negros. Eles pareciam ainda mais incríveis do que as ondas gravitacionais. No entanto, na segunda metade do século XX, não só com o desenvolvimento dos cálculos baseados na teoria da relatividade geral mas também e sobretudo com o acumular de observações astrofísicas, os buracos negros (nome sem dúvida curioso, mas que ilude pois não  se trata de um buraco mas de um corpo celeste muito denso) ganharam foros de veracidade. Hoje está catalogado um bom número deles, com base em observação indirecta da matéria que cai no buraco.

No passado dia 11 de Fevereiro os media de todo o mundo foram sacudidos pela notícia da descoberta das ondas gravitacionais. Elas tinham sido recolhidas no LIGO, Laser Interferomer Gravitational-Waves Observatory, em duas instalações muito parecidas no noroeste no sul dos Estados Unidos, à distância de 3000 quilómetros uma da outra. As duas instalações completam-se pois as ondas vindas do espaço longínquo eram extremamente ténues, tendo de existir a certeza de que a perturbação encontrada em qualquer um dos dispositivos não era devida a qualquer causa próxima à superfície da Terra.

Qual era então a origem dessas ondas, um silvo temporário semelhante ao chilro de uma ave, que se avolumou, antes de findar abruptamente? Pois os físicos efectuaram uma quantidade impressionante de cálculos, em poderosos computadores, para resolverem as equações de Einstein que descrevem as ondas gravitacionais. E o resultado mais provável, no nosso estado actual do conhecimento, era que o silvo “ouvido” era causado por uma colisão violentíssima de dois enormes buracos negros, cada um com cerca de 30 massas solares, que circulavam em órbita um do outro, e que acabaram numa fracção de segundo por se fundir graças à terrível força gravitacional. No final ficou um só buraco negro com pouco menos do dobro da massa de casa um deles, pois a diferença de massa se tinha convertido em energia, emitida sob a forma de ondas gravitacionais. A observação destas ondas na Terra, a mais de mil milhões de anos luz de distância, é uma das proezas mais notáveis da ciência contemporânea, mostrando um conluio perfeito entre teoria e experiência, entre  a matemática e a instrumentação.

Há várias conclusões  importantes a retirar desta detecção de ondas gravitacionais provenientes da colisão de dois buracos negros. Uma é que se trata da primeira detecção das ondas previstas por Einstein, corroborando mais uma vez o génio do físico. Outras detecções se vão decerto seguir, inaugurando uma nova era na astrofísica, uma era na qual para além da luz podemos recorrer a esta espécie de “som” para conhecer o Universo. Mas uma outra conclusão  é que passámos a ter informação directa e não apenas indirecta da existência de buracos negros, tendo verificado que havia buracos negros com uma gama de massas bem diferente da conhecida até agora. A ciência de Einstein foi confirmada, mas há nova ciência no horizonte.