Astrônomos descobriram um ruído de fundo de ondas gravitacionais de comprimento de onda excepcionalmente longo que permeia o cosmos. A causa? Provavelmente colisões de buracos negros supermassivos, mas opções mais exóticas não podem ser descartadas.
Os astrônomos encontraram um zumbido extrabaixo ressoando pelo universo.
A descoberta, anunciada hoje, mostra que ondulações extragrandes no espaço-tempo estão constantemente comprimindo e mudando a forma do espaço. Essas ondas gravitacionais são primas dos ecos de colisões de buracos negros captadas pela primeira vez pelo experimento Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) em 2015. Mas enquanto as ondas do LIGO podem vibrar algumas centenas de vezes por segundo, pode levar anos ou décadas para uma única dessas ondas gravitacionais passar na velocidade da luz.
A descoberta abriu uma janela totalmente nova para o universo, que promete revelar fenômenos anteriormente ocultos, como o turbilhão cósmico de buracos negros com a massa de bilhões de sóis, ou possivelmente espectros celestes ainda mais exóticos (e ainda hipotéticos).
“É lindo”, disse Chiara Caprini, física teórica da Universidade de Genebra e do CERN na Suíça, que não esteve diretamente envolvida no trabalho. “Uma nova era na observação do universo se abriu.”
Os resultados vêm de estudos que remontam a mais de uma década por quatro equipes com sede nos EUA, Europa, Austrália e China. Hoje, em um lançamento de dados coordenado, as equipes apresentam evidências de um “zumbido” de fundo de ondas gravitacionais que foram detectadas pelo rastreamento de mudanças nas batidas impossivelmente regulares de objetos chamados pulsares.
À medida que ondas gravitacionais de comprimento de onda longo passam por nossa vizinhança cósmica, elas distorcem o espaço-tempo ao nosso redor, o que muda o tempo de chegada dos pulsos de um pulsar. Os pesquisadores tiveram que mapear as correlações desses tempos de chegada em dezenas de pulsares diferentes por décadas para captar o sinal. “Fiquei com frio na barriga quando vi isso pela primeira vez”, disse Stephen Taylor, astrofísico da Vanderbilt University e presidente da equipe conhecida como North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, ou NANOGrav. “Estou tão animado que finalmente podemos falar sobre isso.”
Muito provavelmente, as ondas gravitacionais vêm de pares de buracos negros supermassivos que estão girando em torno um do outro dentro de galáxias em fusão. Mas podemos estar vendo algo completamente diferente, talvez algo exótico, como rupturas no próprio espaço-tempo resultantes de loops de energia chamados de cordas cósmicas.
“Encontrar pela primeira vez a sugestão de ondas gravitacionais de fundo é fascinante”, disse Juan García-Bellido, cosmólogo teórico da Universidade Autônoma de Madri, que não participou do trabalho. “É realmente uma pesquisa vencedora do Prêmio Nobel.”
Um hack do tamanho de uma galáxia
Há duas maneiras de começar a história dessa descoberta. A primeira, como sempre, é com Albert Einstein. Sua teoria geral da relatividade em 1915 sugeriu que o universo é um oceano de espaço-tempo no qual objetos como buracos negros e estrelas se assentam. Os movimentos desses objetos enviariam ondulações por esse oceano de espaço-tempo – ondas gravitacionais.
O outro lugar para começar a história é em 1967, com uma estudante de pós-graduação de Lurgan, na Irlanda do Norte, chamada Jocelyn Bell. Usando um radiotelescópio que ela ajudou a construir perto de Cambridge, no Reino Unido, ela detectou um sinal incomum no espaço que se repetia a cada segundo. Ela e outros astrônomos mais tarde classificaram esses sinais como uma nova classe de objetos celestes conhecidos como pulsares – os núcleos girando rapidamente de estrelas mortas. Hoje, alguns são conhecidos por girarem extremamente rápido, emitindo pulsos regulares de ondas de rádio centenas ou até milhares de vezes por segundo.
A regularidade semelhante a um cronômetro dos pulsares os torna valiosos cronometristas cósmicos. Em 1983, os astrônomos norte-americanos Ron Hellings e George Downs sugeriram uma nova maneira de usá-los: se as ondas gravitacionais estivessem comprimindo e esticando o espaço-tempo, esse movimento mudaria o tempo de chegada dos flashes de rádio dos pulsares.
A chave é olhar para muitos pares de pulsares e comparar seus atrasos de tempo. “Se eles estiverem próximos no céu, ambos chegarão cedo ou tarde”, disse Sarah Vigeland, astrofísica da Universidade de Wisconsin, Milwaukee e presidente do Grupo de Trabalho de Detecção de Ondas Gravitacionais do NANOGrav. “Conforme você os separa, eles ficam fora de sincronia, mas de uma forma que você pode prever.”
Para capturar essas flutuações, as matrizes de temporização do pulsar, como o NANOGrav, usam vários radiotelescópios para observar muitos pulsares ao longo de muitos anos. Esses projetos são primos cósmicos do LIGO e de outros observatórios terrestres que detectam ondas gravitacionais procurando pequenas mudanças nos comprimentos relativos de seus dois braços.
Enquanto os braços do LIGO têm quatro quilômetros de comprimento, os arranjos de tempo de pulsar efetivamente usam a distância da Terra para cada pulsar como um braço muito maior – centenas ou milhares de anos-luz de comprimento. “O que fizemos essencialmente foi hackear toda a galáxia para fazer uma antena gigante de ondas gravitacionais”, disse Taylor.
Essa distância maior torna as matrizes de temporização do pulsar sensíveis a uma variedade diferente de onda gravitacional. Enquanto o LIGO pode detectar ondas gravitacionais de alta frequência, que podem ocorrer quando buracos negros do tamanho de estrelas orbitam uns aos outros dezenas ou centenas de vezes por segundo antes da fusão, as matrizes de tempo de pulsar são sensíveis a processos que ocorrem ao longo de anos ou mesmo décadas. Essa é uma das razões pelas quais as matrizes de tempo de pulsar precisam de muitos anos de dados – se leva uma década para uma única onda passar, você não pode detectá-la em apenas alguns meses.
Dos quatro grupos que divulgam dados hoje, o NANOGrav é o mais confiante em seu resultado. O projeto foi fundado em 2007 e usou amplamente o Green Bank Telescope na Virgínia Ocidental e o radiotelescópio de Arecibo em Porto Rico (que entrou em colapso no final de 2020, perto do final dos 15 anos de coleta de dados do NANOGrav). “Ainda estamos de luto pela perda de Arecibo”, disse Taylor.
Projetos separados de matriz de temporização de pulsar também foram estabelecidos em diferentes partes do globo. As quatro equipes, que juntas formam o International Pulsar Timing Array, coordenaram os anúncios de hoje, mas ainda não realizaram uma análise de dados combinada. “É complexo”, disse Andrew Zic, astrônomo da Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization na Austrália e parte da equipe Parkes Pulsar Timing Array daquele país. “Estamos prontos para nos tornarmos uma coisa mais unificada.”
Em 2020, o NANOGrav divulgou dados preliminares de 12,5 anos de observações. Aqueles mostraram um indício provisório de ondas gravitacionais afetando os pulsos de cerca de 45 pulsares.
Agora eles adicionaram mais alguns anos de dados, juntamente com dados de quase duas dúzias de outras fontes, e um padrão mais consistente surgiu. “Isso realmente salta para nós”, disse Vigeland.
“Estamos observando desvios no tempo de algumas centenas de nanossegundos”, disse Scott Ransom, astrônomo do National Radio Astronomy Observatory e membro fundador do NANOGrav. Eles detectaram um padrão específico nos dados, chamado curva de Hellings-Downs, que os deixa confiantes de que o que estão vendo é a onda gravitacional de fundo. “Essa é a arma fumegante das ondas gravitacionais.”
A equipe européia, que observou 25 pulsares ao longo de 25 anos com seis telescópios, vê indícios semelhantes de atrasos no tempo, mas tem menos certeza de seus resultados. “Os americanos estão muito confiantes”, disse Michael Keith, astrofísico do Jodrell Bank Center for Astrophysics e parte da equipe europeia. A equipe australiana está relatando observações de 32 pulsares ao longo de 18 anos, enquanto a equipe chinesa observou 57 pulsares por pouco mais de três anos.
Danças supermassivas
Então, o que está causando essas ondas? As fontes mais prováveis são buracos negros supermassivos – gigantes de milhões a bilhões de vezes a massa do nosso sol. Estes são encontrados no centro de galáxias massivas, como a nossa própria Via Láctea. Quando duas galáxias colidem, como às vezes acontece, os buracos negros supermassivos em seus centros também podem começar a orbitar um ao outro, girando em uma velocidade cosmicamente pesada e perturbando o espaço-tempo enquanto o fazem.
“Se você tem uma distribuição rotativa de massa que não é simétrica” – mesmo algo pequeno, como uma caneta giratória – “ondas gravitacionais estão surgindo”, disse Keith. Em escalas suficientemente grandes, com buracos negros supermassivos, o ruído baixo e constante dessas ondas torna-se detectável à medida que permeiam o espaço.
O NANOGrav ainda não consegue identificar fontes individuais de ondas gravitacionais. Em vez disso, a equipe encontrou evidências do zumbido de fundo de todas as ondas gravitacionais de baixa frequência. É como uma bóia subindo e descendo em um porto movimentado – não consegue distinguir a esteira de um único barco, mas seu movimento pode revelar que existem alguns objetos grandes cortando a água.
Buracos negros supermassivos, no entanto, não são a única explicação possível para o zumbido de fundo. Outra possibilidade são as cordas cósmicas. Previsto pela primeira vez na década de 1970, seriam essencialmente rachaduras no espaço-tempo causadas pela expansão do universo. As rachaduras emitiriam ondas gravitacionais enquanto giravam em loops.
“A ideia das cordas cósmicas é que você tem alguma extensão do Modelo Padrão [da física de partículas] no qual, além das partículas pontuais, você pode obter cordas de energia que se estendem por todo o universo”, disse John Ellis, físico teórico da King’s College London e CERN, que é um defensor das cordas cósmicas. “Essas cordas de energia se movem e podem colidir, gerando loops de cordas que eventualmente colapsam emitindo ondas gravitacionais.”
Embora a ideia seja um tanto extravagante, as observações até agora do NANOGrav e de outras equipes são consistentes com o que esperaríamos ver das cordas cósmicas. “Eles estariam constantemente se contorcendo e, de tempos em tempos, estalam como um chicote e enviam rajadas de ondas gravitacionais”, disse Patrick Brady, astrofísico da Universidade de Wisconsin, Milwaukee. Se as matrizes de tempo do pulsar não virem fontes individuais começarem a emergir de seus próximos dados, isso pode apontar para essa física exótica além do Modelo Padrão. “Cordas cósmicas darão a você um sinal muito mais suave”, disse Ellis.
Mas, embora as cordas e outros fenômenos exóticos não possam ser descartados, por enquanto os buracos negros supermassivos são a explicação preferida. “Do ponto de vista de uma navalha de Occam, sabemos que as galáxias se fundem e quase todas as galáxias têm buracos negros supermassivos”, disse Ransom. “Então, achamos que é mais provável que o sinal que estamos vendo seja de buracos negros supermassivos. Mas podemos estar errados.”
Descobrir uma população de pares de buracos negros supermassivos ajudaria a responder questões em aberto na astrofísica. Por exemplo, o que acontece quando dois buracos negros supermassivos em órbita ficam relativamente próximos um do outro? Havia razões para pensar que, em vez de se fundirem, como acontece com os buracos negros menores, os buracos negros supermassivos giram um ao redor do outro para sempre. “Isso é chamado de problema do último parsec”, disse Caprini; um parsec é uma unidade de distância medindo 3,26 anos-luz de diâmetro. “É um problema sem solução.” Se as matrizes de tempo de pulsar estiverem vendo ondas gravitacionais desses momentos, no entanto, seria “uma demonstração de que dois buracos negros supermassivos se aproximam o suficiente e se fundem”, em vez de permanecerem em órbitas distantes, disse Caprini.
Apenas a existência de tal população tem amplas implicações para nossa compreensão da evolução galáctica no universo. “Isso significaria que no centro de algumas galáxias existem buracos negros massivos que não estão sozinhos”, disse Caprini. “Podemos investigar, através da história do universo, como as galáxias colidem e a taxa de colisões.”
Tal trabalho exigiria a descoberta de pares individuais de buracos negros supermassivos e, portanto, ainda não é viável. Mas, à medida que os pesquisadores combinam os conjuntos de dados das diferentes equipes e fazem mais observações nos próximos anos, fontes individuais podem começar a surgir, talvez permitindo aos astrônomos identificar buracos negros supermassivos binários no espaço e no tempo.
Publicado em 03/07/2023 11h14
Artigo original: