Espaço

Tudo pronto para observatório de ondas gravitacionais no espaço

LISA Pathfinder aprova tecnologias para observatório de ondas gravitacionais no espaço
A sonda LISA Pathfinder está testando as tecnologias necessárias para a construção de um observatório de ondas gravitacionais no espaço. [Imagem: ESA]

Teste de tecnologias

Detectar ondas gravitacionais no espaço é muito mais eficiente e preciso do que construir laboratórios grandes e complexos para detectá-las aqui embaixo.

Isso, contudo, exigirá uma missão multinacional avaliada em vários bilhões de dólares.

Para não correr o risco de gastar todo esse dinheiro e depois descobrir que o laboratório espacial não funciona a contento, a Agência Espacial Europeia (ESA) enviou ao espaço a sonda LISA Pathfinder, destinada a testar as tecnologias fundamentais necessárias para construir um observatório de ondas gravitacionais no espaço.

Agora foram divulgados os resultados dos primeiros dois meses de operações científicas da sonda, mostrando que os critérios de precisão projetados foram superados com larga margem.

Astronomia gravitacional

As ondas gravitacionais são oscilações no tecido do espaço-tempo provocadas pela aceleração de objetos de massas enormes, como supernovas, estrelas de nêutrons binárias girando em torno de si próprias e buracos negros fundindo-se uns com os outros.

Mesmo partindo desses corpos celestes e desses eventos descomunais, as flutuações no espaço-tempo são minúsculas quando chegam à Terra - menores do que 1 parte em 100 bilhões de bilhões.

As ondas gravitacionais detectadas pelo observatório LIGO no ano passado têm uma frequência de cerca de 100 Hz, mas essas ondas abrangem um espectro muito mais amplo, dependendo do evento que as origina - a precisão do LIGO é limitada pelas ondas sísmicas terrestres. Para detectar esses acontecimentos e explorar plenamente esse novo campo da astronomia gravitacional é crucial ser capaz de detectar ondas gravitacionais de baixas frequências, entre 0,1 milihertz e 1 Hz.

Isto requer medir pequenas flutuações na distância entre objetos separados por milhões de quilômetros, algo que pode ser feito apenas no espaço, onde o observatório estaria livre também das interferências sísmicas, termais e da gravitação terrestre, que impõem limites de sensibilidade aos detectores baseados em terra.

A LISA Pathfinder foi projetada para demonstrar tecnologias-chave necessárias para a construção desse observatório.

Liberdade total

LISA Pathfinder aprova tecnologias para observatório de ondas gravitacionais no espaço
Estrutura do experimental principal da sonda LISA Pathfinder. No observatório definitivo, os cubos ficarão em naves diferentes, a milhões de quilômetros um do outro. [Imagem: ESA]

O principal experimento consiste em duas massas de teste colocadas em "queda livre", soltas no espaço, dentro de um invólucro perfeitamente lacrado que as torna totalmente isentas de qualquer influência externa - exceto a gravidade.

A LISA Pathfinder possui um par de cubos idênticos, de uma liga de ouro e platina, com 4,6 centímetros (cm) de aresta e 2 quilogramas de peso, colocados a uma distância de 38 cm um do outro - essa liga metálica foi escolhida pela sua insensibilidade a campos magnéticos.

Tudo consiste em monitorar as posições relativas dos dois cubos, à medida que eles se movem pelo mero efeito da gravidade. Essas posições deverão ser alteradas sempre que uma onda gravitacional passar por eles.

Os resultados superaram largamente as expectativas, reduzindo o efeito das forças não-gravitacionais sobre as duas massas a um nível 10.000 vezes menor do que qualquer outra tecnologia de controle livre de arrasto usada antes.

Moléculas e raios cósmicos

Os dados mostraram que, abaixo de 1 milihertz, as massas sofreram a influência de uma pequena força centrífuga gerada por uma combinação do formato da órbita da sonda e do ruído gerado pelo sistema de rastreamento de estrelas usado para manter sua orientação. Esse efeito será reduzido no projeto final, que usará múltiplas espaçonaves para distanciar as massas a milhões de quilômetros umas das outras.

Entre as frequências de 1 e 60 milihertz, as massas foram afetadas por um pequeno número de moléculas de gás que as atingem esporadicamente. Esse efeito deverá diminuir ao longo dos próximos meses, conforme essas moléculas escapam para o espaço.

Entre os 60 milihertz e 1 Hz, a precisão da LISA Pathfinder é limitada apenas pelo ruído de detecção do sistema de medição a laser usado para monitorar a posição e a orientação dos cubos.

Mesmo raios cósmicos que penetram na sonda espacial podem afetar os resultados ao transferir cargas elétricas para as massas de teste. Se nada for feito, a carga acumulada produziria força suficiente sobre os cubos para atrapalhar as medições. A LISA Pathfinder está testando também um sistema sem contato nunca antes utilizado no espaço que emite luz ultravioleta sobre os cubos para remover essas cargas elétricas.

LISA Pathfinder aprova tecnologias para observatório de ondas gravitacionais no espaço
Os resultados superaram o esperado (a faixa listrada) por uma larga margem - o pico no frequência de 0,07 hertz ainda está sendo investigado. [Imagem: ESA]

Além do esperado

"Este é o nível de controle necessário para permitir a observação de ondas gravitacionais de baixa frequência com um futuro observatório espacial," concluiu Alvaro Giménez, diretor de ciência da ESA, salientando que, embora os índices de precisão devam melhorar nos próximos meses, eles já superaram o que se esperava alcançar.

"As medições excederam as nossas expetativas mais otimistas," afirmou Paul McNamara, chefe do projeto. "Atingimos o nível de precisão originalmente exigido para a LISA Pathfinder ainda no primeiro dia, e passamos então as cinco semanas seguintes melhorando os resultados por um fator de cinco."





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