Colisões de estrelas de nêutrons e buraco negro podem ajudar a resolver a disputa sobre a expansão do Universo
Estudar as violentas colisões de buracos negros e estrelas de nêutrons pode em breve fornecer uma nova medida da taxa de expansão do Universo, ajudando a resolver uma disputa de longa data, sugere um novo estudo de simulação liderado por pesquisadores da UCL (University College London).
Nossas duas melhores maneiras atuais de estimar a taxa de expansão do Universo – medir o brilho e a velocidade de estrelas pulsantes e explodindo e observar as flutuações na radiação do Universo primitivo – fornecem respostas muito diferentes, sugerindo que nossa teoria do Universo pode estar errada.
Um terceiro tipo de medição, olhando para as explosões de luz e ondulações na estrutura do espaço causadas por colisões de buracos negros com estrelas de nêutrons, deve ajudar a resolver essa discordância e esclarecer se nossa teoria do Universo precisa ser reescrita.
O novo estudo, publicado na Physical Review Letters, simulou 25.000 cenários de buracos negros e estrelas de nêutrons colidindo, com o objetivo de ver quantos provavelmente seriam detectados por instrumentos na Terra em meados para o final da década de 2020.
Os pesquisadores descobriram que, em 2030, os instrumentos na Terra poderiam sentir ondulações no espaço-tempo causadas por até 3.000 dessas colisões, e que para cerca de 100 desses eventos, os telescópios também veriam explosões de luz.
Eles concluíram que esses dados seriam suficientes para fornecer uma medição nova e completamente independente da taxa de expansão do Universo, precisa e confiável o suficiente para confirmar ou negar a necessidade de uma nova física.
O autor principal, Dr. Stephen Feeney (UCL Physics & Astronomy) disse: “Uma estrela de nêutrons é uma estrela morta, criada quando uma estrela muito grande explode e depois entra em colapso, e é incrivelmente densa – normalmente 10 milhas de diâmetro, mas com uma massa de até o dobro de nosso Sol. Sua colisão com um buraco negro é um evento cataclísmico, causando ondulações de espaço-tempo, conhecidas como ondas gravitacionais, que agora podemos detectar na Terra com observatórios como LIGO e Virgo.
“Ainda não detectamos a luz dessas colisões. Mas os avanços na sensibilidade dos equipamentos que detectam ondas gravitacionais, junto com novos detectores na Índia e no Japão, levarão a um grande salto em termos de quantos desses tipos de eventos podemos detectar. É incrivelmente emocionante e deve abrir uma nova era para a astrofísica. ”
Para calcular a taxa de expansão do Universo, conhecida como constante de Hubble, os astrofísicos precisam saber a distância dos objetos astronômicos da Terra, bem como a velocidade com que eles se afastam. A análise das ondas gravitacionais nos diz a que distância está uma colisão, deixando apenas a velocidade a ser determinada.
Para saber com que velocidade a galáxia que hospeda uma colisão está se afastando, observamos o “desvio para o vermelho” da luz – isto é, como o comprimento de onda da luz produzida por uma fonte foi esticado por seu movimento. Explosões de luz que podem acompanhar essas colisões nos ajudariam a localizar a galáxia onde a colisão aconteceu, permitindo aos pesquisadores combinar medidas de distância e medidas de desvio para o vermelho nessa galáxia.
Dr. Feeney disse: “Os modelos de computador desses eventos cataclísmicos estão incompletos e este estudo deve fornecer motivação extra para melhorá-los. Se nossas suposições estiverem corretas, muitas dessas colisões não produzirão explosões que possamos detectar – o buraco negro engolirá o estrela sem deixar rastros. Mas, em alguns casos, um buraco negro menor pode primeiro rasgar uma estrela de nêutrons antes de engoli-la, potencialmente deixando matéria fora do buraco que emite radiação eletromagnética. ”
A co-autora, Professora Hiranya Peiris (UCL Physics & Astronomy and Stockholm University) disse: “A discordância sobre a constante de Hubble é um dos maiores mistérios da cosmologia. Além de nos ajudar a desvendar esse quebra-cabeça, as ondulações do espaço-tempo desses eventos cataclísmicos se abrem uma nova janela para o universo. Podemos antecipar muitas descobertas empolgantes na próxima década. ”
As ondas gravitacionais são detectadas em dois observatórios nos Estados Unidos (LIGO Labs), um na Itália (Virgo) e um no Japão (KAGRA). Um quinto observatório, LIGO-Índia, está agora em construção.
Nossas duas melhores estimativas atuais da expansão do Universo são de 67 quilômetros por segundo por megaparsec (3,26 milhões de anos-luz) e 74 quilômetros por segundo por megaparsec. O primeiro é derivado da análise da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, a radiação que sobrou do Big Bang, enquanto o segundo vem da comparação de estrelas em diferentes distâncias da Terra – especificamente Cefeidas, que têm brilho variável, e estrelas em explosão chamadas supernovas do tipo Ia.
Dr. Feeney explicou: “Como a medição de fundo de microondas precisa de uma teoria completa do Universo, mas o método estelar não, a discordância oferece evidências tentadoras de uma nova física além de nosso entendimento atual. Antes de podermos fazer tais afirmações, no entanto, precisamos da confirmação da discordância de observações completamente independentes – acreditamos que elas podem ser fornecidas através de colisões de estrelas de nêutrons e buracos negros.
O estudo foi realizado por pesquisadores da UCL, Imperial College London, Stockholm University e da University of Amsterdam. Foi apoiado pela Royal Society, o Swedish Research Council (VR), a Knut and Alice Wallenberg Foundation e a Netherlands Organization for Scientific Research (NWO).
Publicado em 29/04/2021 17h56
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