Rainer Weiss: 50 anos de LIGO e ondas gravitacionais

Prático, despretensioso e interessado em discutir sua pesquisa, o físico Rainer Weiss é extremamente fácil de conversar. Há cinco anos, seu trabalho lhe rendeu metade do Prêmio Nobel de Física de 2017, com a outra metade indo para Barry Barish e Kip Thorne, pelas “contribuições decisivas ao detector LIGO e à observação de ondas gravitacionais”. Com sede nos EUA Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO) é onde as ondas gravitacionais foram observadas pela primeira vez em 2015, confirmando definitivamente a última previsão não testada da centenária teoria geral da relatividade de Albert Einstein.

Apesar de prenunciar a sua existência, o próprio Einstein duvidava que estas ondas algum dia fossem observáveis ​​porque são extremamente fracas. A ideia revolucionária de Weiss de usar interferometria a laser finalmente tornou possível que primeira observação – de ondas gravitacionais emitidas pela fusão de dois buracos negros, a 1.3 mil milhões de anos-luz de distância da Terra – e muitos mais que o LIGO detectou desde então. Foram necessárias décadas de esforços de Weiss, dos seus colegas Nobel e de muitos outros, e a descoberta representou um ápice na física que também inaugurou uma nova era na astronomia. Desde o advento da astronomia observacional, temos varrido o universo principalmente observando primeiro a luz visível e depois um amplo espectro de ondas eletromagnéticas. Agora as ondas gravitacionais foram capazes de fornecer uma nova maneira de investigar muitos fenômenos cósmicos. Apenas sete anos após o nascimento da astronomia gravitacional, esta já produziu muitos conhecimentos novos e valiosos.

Da Alemanha nazista aos EUA, passando por Praga

Cada um dos três ganhadores do Nobel seguiu seu próprio caminho rumo a esses sucessos. O caminho de Weiss mostra como se formam físicos experimentais talentosos, como novas ideias científicas podem surgir de direções inesperadas e como é necessária pura perseverança para concretizar uma experiência física em grande escala.

Weiss nasceu em Berlim, Alemanha, em 29 de setembro de 1932, durante a ascensão dos nazistas ao poder. O pai de Weiss, Frederick, que Rainer descreve como “um comunista ardente e idealista” desde muito jovem, era médico. Como judeu e comunista antinazista, que testemunhou contra um médico nazista acusado de negligência médica, Frederick foi detido pelos nazistas quando a mãe de Rainer, Gertrude, estava grávida dele. A pedido de sua esposa cristã, cuja família tinha alguns contatos locais, Frederico foi libertado e enviado para Praga. Assim que Rainer nasceu, Gertrude viajou com seu novo filho para se juntar a Frederick na Tchecoslováquia, onde o casal teve outra filha, Sybille, em 1937.

Mas quando o Acordo de Munique de 1938 permitiu a entrada de tropas alemãs na Checoslováquia, a família teve de fugir mais uma vez. “Ouvimos a decisão numa rádio durante as férias na Eslováquia e juntámo-nos a um grande grupo de pessoas que se dirigiam para Praga para tentar obter um visto para emigrar para quase qualquer outro lugar do mundo que aceitasse judeus”, recorda Rainer na sua biografia do Nobel. . A família mudou-se para os EUA em 1939. De acordo com a lei de imigração da época, isso só foi possível por causa da profissão de Frederick e porque uma “mulher muito maravilhosa”, como Weiss a chama, da família filantrópica Stix de St Louis, depositou uma fiança para garantir que os Weisses não seriam um fardo para a comunidade.

Weiss foi criado na cidade de Nova York, onde inicialmente frequentou uma escola pública. Na quinta série, ele recebeu uma bolsa de estudos, através de uma organização local de ajuda aos refugiados, para ingressar Escola Secundária de Columbia – uma escola particular no centro de Manhattan, que já esteve associada à preparação de alunos para Universidade de Columbia. Música, ciências e história eram seus cursos favoritos e, quando adolescente, ele construiu sistemas de áudio personalizados de alta fidelidade ou “hi-fi” para amantes de música clássica.

Esse interesse e sua própria curiosidade acabaram por levá-lo à física. Buscando uma reprodução de som perfeita, Weiss tentou eliminar eletronicamente o ruído de fundo que uma agulha de fonógrafo faz ao se mover ao longo da ranhura de um disco antiquado, o que prejudicava a música. Mas seus esforços falharam e ele decidiu ir para a faculdade para aprender o suficiente para resolver o problema. Essa educação começou em Massachusetts Institute of Technology (MIT) em 1950.

Da eletrônica à física, através de um desvio

Como estudante de engenharia elétrica no MIT, esperava-se que Weiss aprendesse sobre geradores e linhas de transmissão antes de poder estudar a eletrônica que realmente o interessava. Este plano rígido não lhe agradou, pelo que no segundo ano mudou para física, porque “tinha menos exigências” e um currículo mais flexível. Mas isso também não funcionou imediatamente. Em 1952, Weiss se apaixonou por uma jovem, uma pianista. O relacionamento não terminou bem e, de coração partido, Weiss foi reprovado em todos os cursos e teve que deixar o MIT.

Mas nem tudo estava perdido. Na primavera de 1953, ele retornou ao MIT como técnico trabalhando no Laboratório de Feixe Atômico do físico Jerrold Zacharias, que desenvolveu o primeiro relógio atômico. “A ciência feita naquele laboratório era excelente”, lembra Weiss. “Os experimentos analisaram as propriedades de átomos e moléculas isolados e não perturbados por sistemas vizinhos. Cada átomo era igual ao seguinte e era possível fazer perguntas fundamentais sobre sua estrutura e as interações que os mantinham unidos.” O que começou como uma função de ajudar estudantes de pós-graduação em seus projetos de tese acabou levando Weiss a trabalhar diretamente com Zacharias no desenvolvimento do relógio de feixe atômico de césio, que acabaria por ser adotado como padrão de tempo para o Bureau of Standards (agora Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia) e a Marinha dos EUA.

Sob a orientação de Zacharias, Weiss completou seu bacharelado em física, depois doutorado em 1962e aprendeu sobre experimentação de alta precisão, um fio condutor que levou ao LIGO. Outro tema importante surgiu quando Weiss trabalhou como pesquisador associado do astrônomo e físico Robert Dicke na Universidade de Princeton, a quem Weiss chama de “um dos heróis da minha vida”. Dicke e Weiss procuraram desenvolver uma versão moderna do Experimento Eötvös, para compreender o princípio da equivalência da relatividade geral, provando a equivalência da massa inercial e gravitacional. Como a nova teoria da gravitação de Dicke combinava um campo escalar com o campo tensor da relatividade geral, sua ideia era construir um experimento que pudesse medir como toda a Terra vibraria se uma onda gravitacional passasse. O objetivo do experimento era medir o espectro da radiação gravitacional escalar, mas eles descobriram que a sensibilidade do seu gravímetro de quartzo era severamente limitada devido ao ruído geofísico. Apesar do estudo não ter tido sucesso, Weiss aprendeu técnicas experimentais nas quais Dicke foi pioneiro e que acabariam por se revelar essenciais para o LIGO e também para muitas outras experiências de física. Na verdade, Weiss considerou que aqueles dois anos em Princeton “foram profundamente importantes no meu desenvolvimento científico”.

Depois de ingressar na faculdade de física do MIT como professor assistente em 1964, Weiss trabalhou em um projeto cosmológico que mediu o espectro da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB)., a relíquia do Big Bang que ainda preenche o universo. Ele contribuiu para a pesquisa estabelecendo que o CMB segue uma curva de corpo negro virtualmente perfeita com uma temperatura de fonte de 2.7K – cuja descoberta levou a um Prêmio Nobel de 2006 para os principais cientistas, John Mather e George Smoot.

Medindo a gravidade em uma sala de aula

Weiss continuou pensando em ondas gravitacionais, especialmente quando lhe pediram para apresentar um curso de relatividade geral no MIT. Isto não foi fácil. A matemática da relatividade geral é assustadora, e os cursos que ensinavam a matéria eram mais matemáticos do que físicos. Discutindo isso hoje, Weiss diz: “Não sou um teórico. Sou encanador... encanador a vácuo, encanador eletrônico, mas encanador.” Assim, ele e seus alunos aprenderam matemática juntos – mas, inesperadamente, sua formação experimental tornou-se altamente significativa.

Como explica Weiss, naquela época Joseph Weber, da Universidade de Maryland, estava tentando detectar ondas gravitacionais medindo a mudança no comprimento de grandes cilindros de alumínio à medida que uma onda passa. Quando os alunos perguntaram a Weiss sobre tais medidas, ele apresentou uma proposta pedagógica. gedanken experimentar para mostrar, em princípio, como eles poderiam ser feitos. Coloque duas massas a alguma distância uma da outra no espaço livre, uma com um laser pulsado e a outra com um espelho. Agora meça o tempo de viagem de ida e volta da luz laser – e, portanto, a distância. Se uma onda gravitacional que passa altera a distância, medições de tempo suficientemente precisas mostrariam o efeito. Como todas as medições são feitas na localização espaço-temporal do laser, o cálculo da relatividade geral torna-se simples – na verdade, Weiss atribuiu-o como um problema de classe.

A alegada detecção de ondas gravitacionais por Weber em 1969 nunca foi replicada, mas o exemplo que seu trabalho inspirou transformou-se no LIGO. Weiss melhorou a ideia original adicionando um segundo caminho de feixe com um espelho em uma extremidade, colocado perpendicularmente ao primeiro caminho em forma de “L” com um divisor de feixe na junção. Este é um interferômetro de Michelson, que fez medições ultraprecisas da velocidade da luz no experimento Michelson-Morley de 1887 e também do espectro CMB. Na relatividade geral, uma onda gravitacional viajando perpendicularmente ao plano dos braços alongaria um e contrairia o outro, mudando a forma como as ondas de luz nos dois braços interferem. Isto, concluiu Weiss, seria muito mais sensível do que medir o tempo de viagem ao longo de um único caminho.

Weiss lembra como, no verão de 1971, ele “se sentou em uma salinha calculando todas as coisas que poderiam interferir naquele experimento”, incluindo fontes de ruído. Seu resultado foi notável: com braços de vários quilômetros de comprimento, seria possível medir mudanças na distância tão pequenas quanto 10^-18 m – apenas um milésimo do tamanho de um próton – quando uma onda gravitacional que passa tensiona o espaço para causar uma deformação de 10^-21.

Banco de testes e primeiras observações

Alguns colegas de Weiss eram céticos em relação às ondas gravitacionais, mas ele continuou desenvolvendo sua ideia. Recebeu verificação experimental quando pequenos interferômetros de teste construídos em seu laboratório e por um grupo alemão confirmaram seus cálculos. Um apoio mais amplo veio depois de 1975, quando Weiss se reconectou com um conhecido de seus tempos de Princeton, o O físico teórico da Caltech, Kip Thorne. Vendo o potencial para a pesquisa de ondas gravitacionais, Thorne defendeu a ideia de Weiss na Caltech. Em 1979 o National Science Foundation financiou o Caltech e o MIT para realizar um estudo de viabilidade de detecção interferométrica. Em 1990, apoiou o LIGO como uma operação do Caltech-MIT com a maior doação que já havia concedido. Isto permitiu a construção de detectores idênticos com braços de 4 km de comprimento em Hanford, Washington e Livingston, Louisiana, para estudos de coincidência para confirmar quaisquer avistamentos. Estes incorporaram muitos conceitos técnicos desenvolvidos pelo físico experimental Ronald Drever da Caltech.

Depois que o LIGO iniciou suas operações em 2002, alcançou a sensibilidade prevista, mas durante nove anos nenhuma onda gravitacional foi detectada. Os dispositivos foram então significativamente melhorados, com melhor isolamento das fontes de ruído, resultando em “LIGO avançado” (aLIGO) mais de cinco anos depois. Com sensibilidade aprimorada 10 vezes, em 14 de setembro de 2015, aLIGO fez a primeira observação de ondas gravitacionais provenientes de dois buracos negros em fusão – uma descoberta milagrosa, pois a máquina ainda estava sendo calibrada para a primeira execução oficial (Mundo da física 2017; 30 (10) 33).

Alguns anos depois, em 17 de agosto de 2017, aLIGO fez a primeira observação de ondas gravitacionais de duas estrelas de nêutrons em fusão (também participou o detector de ondas gravitacionais Virgem, na Itália). Não foram acontecimentos isolados. Ao final de sua última execução de observação, concluída no final de 2021, o aLIGO havia relatado um total de 90 observações de fusões de dois buracos negros (a maioria), duas estrelas de nêutrons ou um buraco negro e uma estrela de nêutrons. 

Olhando para trás, olhando para frente

Ao contemplar estes primeiros sete anos de astronomia gravitacional, Weiss fica exultante. “Acho que o LIGO tem sido um tremendo sucesso”, diz ele, elogiando em particular como ele valida a relatividade geral e a astrofísica dos buracos negros. Os resultados do LIGO mostram que compreendemos os buracos negros suficientemente bem para prever os detalhes da sua interação entre dois corpos, que na relatividade geral é tão difícil de calcular como o problema dos três corpos na física clássica. Outro resultado é o catálogo do LIGO de interações entre buracos negros de massas variadas, que dá pistas sobre como eles podem se formar em buracos negros supermassivos nos centros das galáxias.

Weiss também destaca um evento específico que “causou a maior agitação [e] produziu tanta ciência que é inacreditável”. A colisão das duas estrelas de nêutrons observadas em 2017 também gerou radiação eletromagnética, de raios gama a ondas de rádio, que foi rastreada por observatórios ao redor do mundo (ver "Um novo mensageiro cósmico” por Imre Bartos). Este excelente exemplo de astronomia “multimensageira” forneceu uma localização precisa para o evento; mostraram que a interação produziu ouro e platina, dando uma nova visão sobre como as estrelas produzem elementos pesados; confirmou que as ondas gravitacionais viajam exatamente à velocidade da luz; e forneceu uma nova maneira de medir a constante de Hubble e talvez acabar com as incertezas atuais sobre o seu valor.

O entusiasmo de Weiss aumenta quando questionado sobre o futuro da astronomia gravitacional. Um componente seria o Interferômetro do Explorador Cósmico, sugerido por Matthew Evans e Nergis Mavalvala no MIT. Weiss apoia fortemente este dispositivo de próxima geração, cujos braços de 40 km de comprimento o tornariam 10 vezes mais sensível que o LIGO avançado. Cientistas europeus estão a considerar o triângulo Telescópio Einstein com braços de 10 km de comprimento, e a Agência Espacial Europeia propõe o lançamento do braço triangular Antena Espacial de Interferômetro Laser (LISA) na década de 2030. As suas três naves espaciais – espaçadas 2.5 milhões de quilómetros entre si e transportando lasers e espelhos – formariam um detector hipersensível.

Cada detector responderá a diferentes frequências de ondas gravitacionais, que dependem inversamente da massa do objeto radiante. Assim como a astronomia regular utiliza diferentes partes do espectro eletromagnético para estudar fenômenos celestes variados, também estamos começando a ver observatórios gravitacionais ajustados para detectar diferentes classes de eventos gravitacionais. Para os buracos negros, as possibilidades vão desde a busca de pequenos buracos negros primordiais hipotéticos até a compreensão de como os buracos negros supermassivos estão relacionados com a formação de galáxias. As ondas gravitacionais da fusão de estrelas de nêutrons aprofundarão nosso conhecimento da evolução estelar e da matéria nuclear densa. Eles também podem surgir de pulsares para complementar o que as ondas eletromagnéticas revelam sobre eles. De forma mais especulativa, alguns investigadores sugerem que métodos multi-mensageiros podem mostrar se o buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia é realmente a extremidade de um buraco de minhoca.

O que mais entusiasma Weiss nestes próximos detectores é que eles poderiam “fazer ciência espectacular, trazendo o campo para a cosmologia, o estudo de todo o universo”. Como ele explica, o teórico russo Alexei Starobinskiǐ mostrou que se uma flutuação no vácuo iniciasse o cosmos, então, à medida que o universo sofresse uma rápida inflação cósmica, a aceleração inimaginável produziria muitas ondas gravitacionais de baixa frequência. Assim como a radiação cósmica de fundo, estes formariam um fundo universal residual, mas originário de uma época muito próxima do Big Bang e carregando novas informações sobre processos iniciais, como a criação de matéria escura. Estas ondas seriam difíceis de detectar, mas os investigadores estão a planear uma combinação de detectores terrestres e espaciais que formariam uma nova ferramenta para atacar algumas grandes questões da física, astronomia e cosmologia.

Mas ao refletir sobre sua longa carreira e pesquisas futuras, Weiss não deseja resumir as coisas dizendo simplesmente “Não sou esse tipo de cara”. Pode ser decepcionante não ter uma frase de efeito final, mas então, em seu compromisso de décadas para construir com sucesso o LIGO, em sua visão de avançar ainda mais na ciência das ondas gravitacionais e em sua paixão contagiante por ambos, Rainer Weiss já disse eloquentemente tudo o que ele precisa dizer.