Fontes Astrofísicas de Ondas Gravitacionais

As fontes astrofísicas de ondas gravitacionais podem ser classificadas em termos do tipo de sinal que emitem. Neste contexto, existem três tipos principais de sinais: transientes, contínuos e estocásticos. 

Os sinais transientes podem ser muito curtos (alguns milissegundos) ou durar vários minutos. São gerados por eventos que são intrinsecamente curtos no tempo, como a emissão súbita de ondas gravitacionais esperada de uma explosão de supernova, bem como por eventos que duram períodos muito longos, mas que o Advanced Virgo só pode observar na fase final, como as coalescências binárias compactas (CBC), ou seja, fusões de sistemas binários de buracos negros ou estrelas de neutrões (neutrons). 

Os sinais de longa duração no tempo, com durações de meses ou anos, podem ser classificados como contínuos. Estes sinais são geralmente mais fracos do que os sinais de coalescência de binários compactos; no entanto, o facto de durarem longos períodos de tempo permitir-nos-ia acumular o sinal em longos períodos de dados, o que aumenta as hipóteses de detecção. Os sinais contínuos podem ser emitidos, por exemplo, por estrelas de neutrões não axissimétricas em rotação: a assimetria pode dever-se ao facto de se afastarem de uma esfera perfeita (e, portanto, terem algumas “montanhas” na sua superfície), ou a uma perturbação oscilatória da sua estrutura interna.
As ondas gravitacionais contínuas nunca foram detectadas até agora; no entanto, prevê-se que possam ser detectadas pelos Advanced LIGO e Virgo nos próximos períodos de observação, ou por um dos futuros detectores. 
Sinais quase periódicos podem também ser emitidos por nuvens de bosões (bósons) ultra-leves, um possível constituinte da matéria escura, que orbitam em torno de buracos negros de massa estelar.

Um terceiro tipo de sinal é o fundo estocástico: este é o resultado da soma incoerente de numerosos sinais de ondas gravitacionais demasiado fracos para serem detectados individualmente. O fundo estocástico pode ser gerado pela sobreposição de sinais gravitacionais provenientes de uma miríade de fontes astrofísicas, próximas ou distantes, jovens ou antigas, demasiado fracas ou demasiado distantes para serem detectadas individualmente. A sua detecção, que poderá estar ao alcance da rede Advanced LIGO e Virgo nos próximos períodos de observação, permitiria conhecer a história da formação das estrelas e a evolução das fontes astrofísicas.

Pode também existir um fundo cosmológico, e não astrofísico, de ondas gravitacionais: de acordo com a teoria da inflação, isso foi gerado logo após o Big Bang. Este fundo cosmológico poderá estar ao alcance da próxima geração de detectores de ondas gravitacionais. [ver ligação para os futuros detetores].

Coalescência de sistemas binários compactos  

Um sistema binário compacto é composto por dois objetos compactos: exemplos são um sistema binário de duas estrelas de neutrões (BNS), um sistema binário de dois buracos negros (BBH) ou um sistema binário misto de uma estrela de neutrões e um buraco negro (NSBH), que orbitam em torno um do outro; esta é uma fonte típica de ondas gravitacionais. À medida que o sistema evolui com o tempo, os dois objetos compactos espiralam mais rapidamente em torno um do outro e aproximam-se cada vez mais até acabarem por se fundir, porque o sistema perde energia através da emissão de ondas gravitacionais. Este fenômeno é conhecido como coalescência. À medida que os dois corpos se aproximam um do outro, as ondas geradas aumentam em frequência e amplitude. Esse tipo de sinal é chamado de “chirp” (chilreio em português), em referência ao chilrear dos pássaros. 

Estes sinais são identificados por três fases: primeiro, os objetos estão afastados mas rodopiam à volta um do outro (fase de espiralização), depois, quando as órbitas diminuem, mergulham um em direção ao outro até se fundirem. Durante estas últimas fases do decaimento orbital, as ondas gravitacionais são suficientemente fortes para serem observadas na banda de frequência sensível do Advanced Virgo: dependendo das suas massas, podemos observar desde algumas até muitas centenas de órbitas dos corpos em fusão à volta uns dos outros. 

A primeira observação direta de ondas gravitacionais foi a GW150914 (a 14 de setembro de 2015), a coalescência de dois buracos negros com massas 36 e 29 vezes superiores à do nosso Sol, fundindo-se a uma distância de 1,3 mil milhões de anos-luz da Terra.
A primeira detecção envolvendo dados do detetcor Virgo foi o GW170814 (a 14 de agosto de 2017), que foi também o primeiro detectado por uma rede de três detetores (Virgo, LIGO Hanford e LIGO Livingston). Saiba mais aqui [ligação para A(s) primeira(s) deteção(ões)]

E mais…

Sempre que os seres humanos observaram o céu com novos instrumentos, exploraram novas gamas de comprimentos de onda eletromagnéticos ou utilizaram novos mensageiros do cosmos, foram descobertos novos objectos e fenômenos.
Quando procuramos ondas gravitacionais, também estamos à espera de surpresas!

Por exemplo, as cordas cósmicas são “defeitos” no tecido do espaço-tempo que podem ter se formado durante a evolução do Universo. Estas cordas nunca foram observadas, mas espera-se que emitam ondas gravitacionais, se existirem. Talvez o Advanced Virgo nos permita detectar estes fenômenos pela primeira vez. As cordas cósmicas são apenas um exemplo de fontes de ondas gravitacionais mais “exóticas”. Existem muitas outras fontes teóricas de ondas gravitacionais cujos sinais ainda não foram observados (mas apenas teorizados): ondas gravitacionais que se libertam de imitadores de buracos negros, nuvens de bosões ultra-leves que se formam em torno de buracos negros em rotação e outras. Tudo isto representaria avanços científicos espantosos, mas provavelmente as fontes mais excitantes que poderemos detetar com ondas gravitacionais no futuro são aquelas que ainda não conseguimos prever e que nos apanharão completamente de surpresa.