LISA Pathfinder excede as expetativas

Os resultados de apenas dois meses de operações científicas mostram que os dois cubos no centro da nave espacial estão em queda livre no espaço apenas sob a influência da gravidade, impassível a outras forças externas, com uma precisão cinco vezes melhor do que originalmente exigida.

Num artigo publicado hoje na Physical Review Letters, a equipa da missão ʽLISA Pathfinderʼ mostra que as massas-teste estão praticamente imóveis em relação umas às outras, com uma aceleração relativa menor que uma parte em 10 milésimos de um bilionésimo da gravidade da Terra.

A demonstração das tecnologias-chave da missão abre a porta para o desenvolvimento de um grande observatório espacial capaz de detetar ondas gravitacionais a partir de uma grande variedade de objetos exóticos no Universo.

Conjeturadas por Albert Einstein há um século atrás, as ondas gravitacionais são oscilações no tecido do espaço-tempo, movendo-se à velocidade da luz e provocadas pela aceleração de objetos massivos.

Podem ser geradas, por exemplo, por supernovas, estrelas de neutrões binárias girando em torno de si próprias, e pares de buracos negros em fusão.

Mesmo partindo destes poderosos objetos, as flutuações no espaço-tempo são, contudo, minúsculas no momento em que chegam à Terra – mais pequenas que 1 parte em 100 bilhões de bilhões.

São necessárias tecnologias sofisticadas para registar estas alterações minúsculas, e as ondas gravitacionais foram detetadas diretamente pela primeira vez apenas em Setembro de 2015 pelo observatório terrestre ‘Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory’ (LISO).

Esta experiência observou o sinal característico de dois buracos negros, cada um com uma massa 30 vezes superior à do Sol, em espiral em direção um ao outro nos 0.3 segundos finais antes de fundirem e formarem um objeto único e mais massivo.

Os sinais observados pelo LIGO têm uma frequência de cerca de 100 Hz, mas as ondas gravitacionais abrangem um espectro muito mais amplo. Em particular, oscilações de baixas frequências são produzidas por acontecimentos ainda mais exóticos tais como a fusão de buracos negros supermassivos.

Com massas de milhões a biliões de vezes superiores à massa do Sol, estes buracos negros gigantes assentam no centro de galáxias colossais. Quando duas galáxias colidem, estes buracos negros acabam por se fundir, libertando grandes quantidades de energia na forma de ondas gravitacionais durante o processo de fusão, atingindo o máximo nos últimos minutos.

Dentro da ʽLISA Pathfinderʼ, com narração
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Para detetar estes acontecimentos e explorar plenamente o novo campo de astronomia gravitacional é crucial abrir o acesso a ondas gravitacionais de baixas frequências entre 0.1 mHz e 1 Hz.

Isto requere medir pequenas flutuações na distância entre objetos separados por milhões de quilómetros, algo que apenas pode ser alcançado no espaço, onde um observatório estaria também livre de interferências gravitacionais terrestres, sísmicas e termais que limitam os detetores baseados na terra.

A ʽLISA Pathfinderʼ foi desenhada para demonstrar tecnologias-chave necessárias para a construção de tal observatório.

Um aspeto crucial é colocar duas massas-teste em queda livre, monitorizando as suas posições relativas à medida que se movem pelo simples efeito da gravidade. Mesmo no espaço, isto é muito difícil, por causa de várias forças, incluindo o vento solar e a pressão da luz solar, perturbarem continuamente os cubos e a nave espacial.

Assim, na ʽLISA Pathfinderʼ, um par de cubos idênticos de 46 mm de ouro-platina e 2kg de peso, distanciados 38 cm, voam rodeados mas intocados por uma nave espacial cuja função é protegê-los de influências externas, ajustando constantemente a sua posição, evitando chocar com eles.

“As massas-teste da ʽLISA Pathfinderʼ estão agora imóveis em relação uma à outra num grau surpreendente,” diz Alvaro Giménez, Director de Ciência da ESA.

“Este é o nível de controlo necessário para permitir a observação de ondas gravitacionais de baixa frequência com um futuro observatório espacial.”

A ʽLISA Pathfinderʼ foi lançada a 3 de Dezembro de 2015, atingindo a sua órbita operacional a aproximadamente 1.5 milhões de km da Terra em direção ao Sol em finais de Janeiro de 2016.

A missão iniciou as suas operações a 1 de Março, com a realização, por parte dos cientistas, de uma série de experiências nas massas-teste para medição e controlo de todos os diferentes aspetos envolvidos, e a determinação do quão imóvel elas realmente estão.

“As medições excederam as nossas expetativas mais otimistas,” afirma Paul McNamara, cientista do projeto ʽLISA Pathfinderʼ.

“Atingimos o nível de precisão originalmente exigido para a ʽLISA Pathfinderʼ ainda no primeiro dia, e passámos então as cinco semanas seguintes melhorando os resultados por um fator de cinco.”

Estes resultados extraordinários mostram que o controlo atingido sobre as massas-teste está essencialmente ao nível exigido para implementar um observatório de ondas gravitacionais no espaço.

“Não só observámos as massas-teste praticamente imóveis, como também conseguimos identificar, com uma precisão sem precedentes, a maioria das minúsculas forças remanescentes que as perturbavam,” explica Stefano Vitale da Universidade de Trento e INFN, Itália, Investigador Principal do ‘LISA Technology Package’ (Pacote Tecnológico LISA), o centro de carga da missão. 

Os primeiros dois meses de dados mostram que, na ordem de frequência entre os 60 mHz e 1 Hz, a precisão da ʽLISA Pathfinderʼ é apenas limitada pelo ruído de deteção do sistema de medição laser usado para monitorizar a posição e orientação dos cubos.

“O desempenho do instrumento laser já ultrapassou o nível de precisão necessário por um futuro observatório de ondas gravitacionais por um fator superior a 100”, afirmou Martin Hewitson, Cientista Senior da ʽLISA Pathfinderʼ do Instituto Max Planck de Física Gravitacional e Universidade Leibniz Hannover, Alemanha.

A frequências inferiores de 1-60 mHz, o controlo sobre os cubos é limitado por moléculas de gás ressaltando deles – um pequeno número mantém-se no vácuo envolvente. Observou-se uma redução deste efeito à medida que mais moléculas foram libertadas para o espaço, e espera-se que melhore nos próximos meses.

“Temos observado o desempenho a melhorar firmemente, de dia para dia, desde o início da missão,” diz William Weber, Cientista Senior da ʽLISA Pathfinderʼ da Universidade de Trento, Itália.

Até em frequências mais baixas, abaixo de 1 mHz, os cientistas conseguiram medir uma pequena força centrífuga atuando sobre os cubos, a partir da combinação da forma da órbita da ʽLISA Pathfinderʼ e até ao efeito do ruído no sinal dos ‘startrackers’ usados na sua orientação.

Apesar de esta força perturbar ligeiramente o movimento dos cubos na ʽLISA Pathfinderʼ, isto não seria um problema para um futuro observatório espacial, no qual cada massa-teste seria alojada na sua própria aeronave, e conectada a outras ao longo de milhões de quilómetros via lasers.

“Com a precisão atingida pela ʽLISA Pathfinderʼ, um observatório de ondas gravitacionais em grande escala seria capaz de detetar flutuações causadas pela fusão de buracos negros gigantes em galáxias em qualquer parte do Universo”, afirma Karsten Danzmann, diretor no Instituto Max Planck de Física Gravitacional, diretor do Instituto de Física Gravitacional da Universidade Leibniz Hannover, Alemanha, e Investigador Co-Principal do ‘LISA Technology Package’.

Os resultados de hoje mostram que a ʽLISA Pathfinderʼ comprovou as tecnologias-chave e abriu o caminho para tal observatório, como a terceira missão ‘Large-Class’ (L3) do programa de Visão Cósmica da ESA.