Um dos percursores na busca por ondas gravitacionais foi Joseph Weber, no início dos anos 1960. Em seu artigo Detection and Generation of Graviational Waves, Weber (1960, p. 306, tradução nossa) propôs um dispositivo para a detecção das ondas, iniciando dizendo que uma “grande quantidade de trabalho teórico sobre o problema da radiação apareceu durante as últimas quatro décadas. O trabalho experimental ao longo destas linhas parece agora possível”. Weber aponta nesse artigo para um ponto importante da detecção das ondas gravitacionais. Embora o seu projeto seja baseado em detecções com cristais, a questão do ruído nos dados detectados já eram um problema que Weber – e os futuros pesquisadores – tinha que lidar.
Para solucionar a questão, duas propostas foram feitas no artigo de 1960: a primeira leva em consideração, basicamente, a rotação da Terra, que alteraria a orientação dos cristais do aparato em relação a uma fonte constante de radiação, deixando-o, em alguns momentos, favorável à radiação. Com a variação na saída dos dados no período de um dia, seria possível obter uma indicação dos efeitos das ondas gravitacionais através dos ruídos. “A terra gira o aparelho. Se a radiação é incidente de uma dada direção, pode ser observado a partir da mudança diurna na saída de ruído do amplificador” (WEBER, 1960, p. 311, tradução nossa).
Já a segunda proposta feita é muito mais próxima dos atuais experimentos que buscam detectar as ondas gravitacionais: a partir de cruzamento de dados de dois detectores distintos, seria possível distinguir o evento do ruído, já que a simultaneidade do evento nos dois detectores indicaria que ele ocorreu devido a uma fonte externa. Assim, além de um segundo detector, seria necessário um correlator, para comparar os resultados.
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Figura 11 – Diagramas esquemáticos apresentados por Weber (1960, p. 311) sobre as duas formas de detecção.
A superior apresenta o detector que utiliza a rotação da Terra, enquanto a inferior apresenta a alternativa com dois detectores distintos e um correlator de dados
É interessante notarmos que, embora o projeto de Weber com dois detectores seja crucial para o desenvolvimento dos interferômetros terrestres que buscam pelas ondas gravitacionais, a ideia de utilizar mais de um detector com cruzamento de dados não era algo novo. De acordo com Ciane e Fulda (2017), podemos atribuir um dos primeiros interferômetros do estilo aos americanos Albert Michelson e Edward Moley.
Embora o objetivo do famoso experimento de Michelson-Morley não tenha sido o de detectar ondas gravitacionais (na verdade, a teoria que prevê que sua existência ainda está longe de ser concebida), o design básico de seu aparato ainda pode ser encontrado em qualquer detector terrestre de ondas gravitacionais por interferometria (CIANE e FULDA, 2017, p. 196, tradução nossa).
A correlação entre os dados coletados de detectores individuais é atualmente uma das partes cruciais na busca e detecção de ondas gravitacionais (COLLINS, 2004), principalmente devido à curta janela que se tem para detectar as ondas gravitacionais, impossibilitando a primeira alternativa apresentada por Weber, que dependeria que a fonte de emissão fosse constante, já que seria preciso aguardar o detector estar direcionado favoravelmente a ela.
84 Dado que rajadas de ondas gravitacionais tem uma duração muito curta, até menores que um milissegundo, a saída de detectores terrestres é amostrada com uma frequência muito alta, tipicamente 𝑂(10) kHz. [...] Usar dois ou mais detectores em coincidência é uma prática padrão da física, ao menos desde os primeiros dias da pesquisa em raios cósmicos. A ideia é que, se dois detectores estão distantes, os seus ruídos em sua maioria não são correlacionados, e a probabilidades de uma coincidência acidental é pequena, enquanto uma onda gravitacional deve excitar ambos os detectores simultaneamente (MAGGIORE, 2008, p. 369, tradução nossa)
Weber continuou a trabalhar com sobre o tema. Outro personagem importante para o avanço das pesquisas experimentais acerca das ondas gravitacionais foi Robert Forward, que inicialmente participava na construção do detector ao lado de Weber. Essa primeira geração de detectores não se utilizava de laser, mas sim “contou com a excitação de modos ressonantes de uma massa com um alto fator de qualidade mecânica pela passagem de ondas gravitacionais” (CIANI e FULDA, 2017, p. 196, tradução nossa)
Cabe a Weber, Forward e à equipe em Maryland a primeira coleta e análise de dados provenientes de um detector de ondas gravitacionais. “Os cadernos de pesquisa da Forward mostram que essa coleta de dados começou no sábado, 12 de maio de 1962, às 5:30 da manhã e terminou às 6:30 da manhã da segunda-feira seguinte” (COLLINS, 2004, p. 38, tradução nossa).
Contudo, a primeira indicação de um resultado33 positivo para a detecção foi publicado apenas em 1968 por Weber no Physical Review Letters, intitulado Gravitational-wave-detector Events. Ao final do artigo, Weber conclui que “A probabilidade extremamente baixa de coincidências aleatórias nos permite descartar uma origem puramente estatística. Os detectores separados estão respondendo, em raras ocasiões, a uma excitação comum que pode ser a radiação gravitacional” (WEBER, 1968, p. 1308, tradução nossa).
33 Weber já havia publicado, em 1967, um outro artigo pela Physical Review Letters intitulado
Gravitational Radiation, com alguns dados obtidos de 1965 até 1967. Contudo, nesse artigo ele apenas sugere que
os “detectores de ondas gravitacionais registram eventos isolados que não são detectados por sismômetros, gravímetros, medidores de inclinação ou dispositivos que respondem apenas a campos eletromagnéticos, dos tipos atualmente em uso” (WEBER, 1967, p. 501, tradução nossa), não afirmando categoricamente que os dados obtidos derivassem de ondas gravitacionais.
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Figura 12 – Título e resumo do artigo de Weber publicado em 1968 afirmando a detecção de ondas
gravitacionais
Contudo, apenas em 1970 que Weber publicou dois artigos, explicando melhor a análise dos dados obtidos. No primeiro, “Weber introduz o primeiro estágio do que se tornará um dos mais importantes (e, de alguma maneira, convincentes) métodos de análise de dados para detectores de radiação gravitacional” (COLLINS, 2004, p. 89, tradução nossa), que é adicionar um atraso de tempo conhecido entre os dois detectores. Dessa forma, conhecendo o momento em que o sinal do primeiro detector foi registrado, sabemos que após um determinado intervalo de tempo conhecido por nós chegará outro sinal do segundo detector caso uma onda gravitacional realmente afete a ambos, evitando que algum motivo externo – que afeta a ambos detectores ao mesmo tempo – seja erroneamente considerado como um sinal positivo.
No segundo artigo de 1970, porém, Weber retorna a utilizar a rotação da Terra, levando em consideração que a barra de detecção está fixada na superfície terrestre. Uma vez a cada dia, um observador que estivesse no centro da galáxia veria a barra de lado, que é sua posição mais sensível. Após 6 horas, o observador veria a barra de frente, em sua posição menos sensível. Seguindo o raciocínio para mais 12 horas (primeiro a bara de lado e depois de frente para o observador), Weber conclui que devido a anistropia do experimento os dados deveriam apresentar uma flutuação a cada 6 horas, com dois de maior sensibilidade e dis momentos de menos sensibilidade, havendo uma periodicidade na flutuação dos dados de 12 horas (WEBER, 1970).
Nos anos seguintes, diversos grupos de cientistas tentaram replicar os resultados apresentados por Weber nos artigos publicados de 1970, mas sem resultados. “Os esforços de Richard Garwin, Heinz Billing e outros para reproduzir seus resultados foram infrutíferos, no entanto, e na década de 1970 a veracidade das alegações de detecção de Weber foi amplamente posta em dúvida” (CIANI e FULDA, 2017, p. 196, tradução nossa).
86 Vamos agora voltar um pouco no tempo para falarmos de algo que é fundamental para a maneira como as ondas gravitacionais estão sendo detectadas atualmente: a utilização de laser.