Créditos: David Champion
A detecção de ondas gravitacionais pelo Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) veio de dois buracos negros, cada um com cerca de 30 vezes a massa do nosso sol, fundindo-se em um só. As ondas gravitacionais abrangem uma ampla gama de frequências que requerem diferentes tecnologias para serem detectadas. Um novo estudo do Observatório Nanohertz para Ondas Gravitacionais da América do Norte (NANOGrav) mostrou que ondas gravitacionais de baixa frequência podem ser detectadas em breve por radiotelescópios existentes.
“A detecção deste sinal é possível se formos capazes de monitorar um número suficientemente grande de pulsares espalhados pelo céu”, disse Stephen Taylor, principal autor do artigo publicado esta semana no The Astrophysical Journal Letters. Ele é um pesquisador de pós-doutorado no Jet Propulsion Laboratory da NASA, Pasadena, Califórnia. “A prova fumegante será ver o mesmo padrão de desvios em todos eles.” Taylor e colegas do JPL e do California Institute of Technology em Pasadena têm estudado a melhor maneira de usar pulsares para detectar sinais de ondas gravitacionais de baixa frequência. Os pulsares são estrelas de nêutrons altamente magnetizadas, os núcleos de estrelas em rápida rotação deixados para trás quando uma estrela massiva explode como uma supernova.
A teoria geral da relatividade de Einstein prevê que as ondas gravitacionais – ondulações no espaço-tempo – emanam de objetos massivos em aceleração. Ondas gravitacionais nanohertz são emitidas por pares de buracos negros supermassivos orbitando uns aos outros, cada um contendo milhões ou um bilhão de vezes mais massa do que aqueles detectados pelo LIGO. Cada um desses buracos negros se originou no centro de galáxias separadas que colidiram. Eles estão lentamente se aproximando e acabarão por se fundir para criar um único buraco negro superdimensionado.
À medida que orbitam um ao outro, os buracos negros puxam a estrutura do espaço e criam um sinal fraco que se espalha em todas as direções, como uma vibração em uma teia de aranha. Quando esta vibração passa da Terra, ela empurra nosso planeta ligeiramente, fazendo-o mudar em relação a pulsares distantes. As ondas gravitacionais formadas por buracos negros supermassivos binários levam meses ou anos para passar pela Terra e requerem muitos anos de observações para serem detectadas.
“As fusões de galáxias são comuns e achamos que há muitas galáxias abrigando buracos negros supermassivos binários que deveríamos ser capazes de detectar”, disse Joseph Lazio, um dos co-autores de Taylor, também baseado no JPL. “Os pulsares nos permitirão ver esses objetos enormes enquanto eles se aproximam lentamente em espiral.”
Uma vez que esses buracos negros gigantescos ficam muito próximos uns dos outros, as ondas gravitacionais são muito curtas para serem detectadas usando pulsares. Os interferômetros a laser baseados no espaço como o eLISA, uma missão que está sendo desenvolvida pela Agência Espacial Européia com a participação da NASA, operariam na faixa de frequência que pode detectar a assinatura de buracos negros supermassivos se fundindo. A missão LISA Pathfinder, que inclui um sistema de propulsão de estabilização gerenciado pelo JPL, está atualmente testando as tecnologias necessárias para a futura missão eLISA.
Encontrar evidências de binários supermassivos de buracos negros tem sido um desafio para os astrônomos. Os centros das galáxias contêm muitas estrelas e até mesmo buracos negros monstruosos são bastante pequenos – comparáveis ao tamanho do nosso sistema solar. Ver as assinaturas visíveis desses binários em meio ao brilho da galáxia ao redor tem sido difícil para os astrônomos.
Em vez disso, os radioastrônomos procuram os sinais gravitacionais desses binários. Em 2007, o NANOGrav começou a observar um conjunto de pulsares de rotação mais rápida para tentar detectar pequenas mudanças causadas por ondas gravitacionais.
Os pulsares emitem feixes de ondas de rádio, algumas das quais varrem a Terra uma vez a cada rotação. Os astrônomos detectam isso como um pulso rápido de emissão de rádio. A maioria dos pulsares giram várias vezes por segundo. Mas alguns, chamados de pulsares de milissegundos, giram centenas de vezes mais rápido.
“Os pulsares de milissegundos têm tempos de chegada extremamente previsíveis e nossos instrumentos são capazes de medi-los dentro de um décimo milionésimo de segundo”, disse Maura McLaughlin, radioastrônomo da West Virginia University em Morgantown e membro da equipe NANOGrav. “Por causa disso, podemos usá-los para detectar mudanças incrivelmente pequenas na posição da Terra.”
Mas os astrofísicos do JPL e do Caltech alertam que a detecção de ondas gravitacionais fracas provavelmente exigiria mais do que alguns pulsares. “Somos como uma aranha no centro de uma teia”, disse Michele Vallisneri, outro membro do grupo de pesquisa JPL / Caltech. “Quanto mais fios tivermos em nossa teia de pulsares, maior será a probabilidade de sentirmos quando uma onda gravitacional passa.”
Vallisneri disse que realizar essa façanha exigirá colaboração internacional. “O NANOGrav está monitorando 54 pulsares, mas só podemos ver parte do hemisfério sul. Precisamos trabalhar em estreita colaboração com nossos colegas na Europa e na Austrália para obter a cobertura total do céu que essa pesquisa exige.”
A viabilidade dessa abordagem foi recentemente questionada quando um grupo de pesquisadores de pulsar australianos relatou que não foi capaz de detectar tais sinais ao analisar um conjunto de pulsares com as medições de tempo mais precisas. Depois de estudar este resultado, a equipe do NANOGrav determinou que a não detecção relatada não foi uma surpresa e resultou da combinação de modelos de ondas gravitacionais otimistas e análise de poucos pulsares. Sua resposta de uma página foi lançada recentemente por meio do serviço de impressão eletrônica arXiv.
Apesar dos desafios técnicos, Taylor está confiante de que sua equipe está no caminho certo. “As ondas gravitacionais estão varrendo a Terra o tempo todo”, disse Taylor. “Dado o número de pulsares sendo observados pela NANOGrav e outras equipes internacionais, esperamos ter evidências claras e convincentes de ondas gravitacionais de baixa frequência na próxima década.”
NANOGrav é uma colaboração de mais de 60 cientistas em mais de uma dúzia de instituições nos Estados Unidos e Canadá. O grupo usa observações de tempo de pulsar de rádio adquiridas no Green Bank Telescope do NRAO em West Virginia e no Arecibo Radio Observatory em Porto Rico para procurar ondulações no tecido do espaço-tempo. Em 2015, a NANOGrav recebeu US $ 14,5 milhões da National Science Foundation para criar e operar um Centro de Fronteiras de Física.
“Com a detecção de ondas gravitacionais pelo LIGO, o excelente trabalho da colaboração NANOGrav é particularmente relevante e oportuno”, disse Pedro Marronetti, diretor do programa da National Science Foundation para a pesquisa de ondas gravitacionais. “Este Physics Frontier Center financiado pela NSF está preparado para complementar as observações do LIGO, estendendo a janela de detecção de ondas gravitacionais para frequências muito baixas.”
Publicado em 10/12/2021 12h11
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