Várias equipes esperam usar pulsares na Via Láctea para detectar ondulações no espaço-tempo feitas por buracos negros supermassivos distantes.
Os astrônomos podem estar prestes a detectar ondas gravitacionais de buracos negros supermassivos distantes – milhões ou mesmo bilhões de vezes maiores do que os buracos negros vistos até agora – sugere uma colaboração internacional. Os resultados mais recentes de várias equipes de pesquisa sugerem que eles estão se aproximando de uma descoberta após duas décadas de esforços para sentir as ondulações no espaço-tempo através de seus efeitos nos pulsares, estrelas gastas girando rapidamente espalhadas pela Via Láctea.
Os caçadores de ondas gravitacionais estão procurando por flutuações nos sinais dos pulsares que revelariam como a Terra balança em um mar de ondas gravitacionais. Como ondulações caóticas na água, essas ondas podem ser devidas aos efeitos combinados de talvez centenas de pares de buracos negros, cada um no centro de uma galáxia distante.
Até agora, a colaboração do International Pulsar Timing Array (IPTA) não encontrou evidências conclusivas dessas ondas gravitacionais. Mas sua análise mais recente – usando dados agrupados de colaborações baseadas na América do Norte, Europa e Austrália – revela uma forma de “ruído vermelho” que tem as características que os pesquisadores esperam ver. As descobertas foram publicadas em 19 de janeiro na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
“Este é um marco importante”, diz Michael Kramer, astrônomo do Instituto Max Planck de Radioastronomia em Bonn, Alemanha, que é um dos principais membros da equipe europeia. Embora ainda não constitua uma detecção de ondas gravitacionais, é um passo necessário para isso, acrescenta. Se o ruído vermelho não tivesse sido visto nesta fase, os cosmólogos poderiam ter que reconsiderar suas previsões para a prevalência de buracos negros supermassivos e seu papel na evolução do Universo.
Xavier Siemens, radioastrônomo da Oregon State University em Corvallis e líder do grupo norte-americano, concorda que o ruído vermelho ainda não é uma detecção. “Mas é reconfortante”, diz ele.
Além do LIGO
A primeira detecção direta de ondas gravitacionais foi alcançada em 2015 pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria a Laser (LIGO) na Louisiana e no estado de Washington. As antenas gêmeas do LIGO mediram as ondas produzidas nos momentos finais da fusão de dois buracos negros, cada um com massa dezenas de vezes a do Sol. Desde então, o LIGO e o Virgo, com sede na Itália, detectaram dezenas de explosões semelhantes. Essas ondas atingem o pico de frequência de dezenas a milhares de ciclos por segundo – semelhantes às frequências mais baixas do som audível – e podem ser detectadas por vários segundos ou, em alguns casos, minutos.
A técnica de pulsar da colaboração IPTA visa detectar ondas gravitacionais mais duradouras que oscilam em frequências muito mais baixas, medidas em ciclos por ano ou mesmo por década (consulte ‘O espectro de ondas gravitacionais’). Esses sinais normalmente se originam de pares de buracos negros que orbitam um ao outro a longo prazo, e não de fusões. “Isso é diferente dos eventos de explosão do LIGO, onde o evento ocorre muito rapidamente e esse evento em particular não ocorrerá novamente”, diz o radioastrônomo George Hobbs no Australia Telescope National Facility em Epping.
Os astrofísicos pensam que a maioria das grandes galáxias tem um buraco negro supermassivo em seu centro. Quando duas galáxias se fundem, seus buracos negros centrais eventualmente afundam no centro da galáxia recém-formada e começam a orbitar um ao outro. Se eles se aproximarem o suficiente, eles emitirão ondas gravitacionais intensas.
A técnica do pulsar procura por essas ondas gravitacionais enquanto elas varrem nossa Galáxia, esticando e comprimindo o espaço que separa o Sistema Solar das estrelas de nêutrons giratórias chamadas pulsares (veja ‘Pulsares como detectores’). Observatórios como o LIGO, por outro lado, detectam ondas gravitacionais à medida que varrem a Terra.
A abordagem tem desafios únicos. Enquanto o LIGO mede diretamente mudanças minúsculas na distância entre dois espelhos a vários quilômetros de distância, as mudanças na distância entre a Terra e um pulsar não podem ser medidas diretamente, em parte porque milhares de cristas e vales de ondas gravitacionais estão se propagando entre eles. A Terra e o pulsar “não estão na mesma crista ou vale”, explica Maura McLaughlin, astrônoma da West Virginia University em Morgantown, que é um dos principais membros da colaboração norte-americana do pulsar. “Para estimar o atraso, temos que nos preocupar com o efeito das ondas gravitacionais no pulsar e na Terra. As coisas no meio se cancelam”, diz McLaughlin.
Tais mudanças devem ser reveladas porque, quando o espaço local é esticado, os sinais periódicos de um pulsar levarão dezenas de nanossegundos a mais ou a menos para chegar à Terra do que levariam de outra forma.
Sinais ruidosos
Medir esses atrasos requer décadas de coleta de dados meticulosa, seguida de semanas de processamento de números em um supercomputador. E se baseia na física bizarra das estrelas de nêutrons conhecidas como pulsares.
Muitas estrelas de nêutrons – núcleos colapsados de estrelas que acumulam uma massa maior que a do Sol em uma esfera de apenas 20 quilômetros de diâmetro – expelem radiação de seus pólos magnéticos. À medida que uma estrela de nêutrons gira, o feixe de radiação circula como a luz giratória de um farol. Alguns desses feixes cruzam o caminho da Terra através do espaço e são detectados como radiação pulsando em intervalos regulares. No final da década de 1970, alguns astrônomos apontaram que, por aparecerem em intervalos altamente regulares, alguns desses faróis poderiam servir como detectores de ondas gravitacionais.
Mas os sinais de pulsar são barulhentos e podem ser retardados ou espalhados por nuvens de elétrons interestelares. Para superar esse problema, os astrônomos devem comparar os sinais do maior número possível desses faróis, formando uma “matriz de temporização de pulsar”.
E a posição da linha de base do centro de massa do Sistema Solar – que é afetada pelos movimentos dos planetas – deve ser calculada com uma precisão inferior a 100 metros.
Na última década, essas estimativas melhoraram muito graças às medições das posições de Júpiter e Saturno feitas pelas missões Juno e Cassini da NASA. As revisões tranquilizaram alguns astrônomos: medições anteriores, menos precisas, juntamente com algumas suposições excessivamente conservadoras, causaram alguma preocupação de que o fundo esperado da onda gravitacional não estivesse lá.
Mas a cada ano que passa, os pesquisadores acumulam mais dados e aprimoram suas técnicas. Em 2020 e 2021, cada uma das três colaborações começou a ver um sinal revelador do fundo da onda gravitacional. Enquanto o ruído “branco” comum inclui flutuações aleatórias em todas as frequências, o ruído vermelho é mais alto em frequências mais baixas. Tal característica é esperada quando os sinais de comprimento de onda longo – com períodos comparáveis aos 20 e tantos anos de dados que já foram acumulados – estão começando a surgir. A última análise conjunta do IPTA – feita reunindo os dados das colaborações regionais em 65 pulsares para melhorar sua sensibilidade às ondas gravitacionais – também detectou o ruído vermelho, embora não tenha usado os conjuntos de dados mais recentes que os três grupos analisaram separadamente em 2020 e 2021.
A descoberta não indica necessariamente a presença de ondas gravitacionais. “O ruído vermelho também pode ser produzido por outras coisas”, alerta Kramer, como um padrão anteriormente insuspeito na maneira como os pulsares giratórios diminuem gradualmente.
Para reivindicar uma descoberta, “falta um componente crucial”, diz o radioastrônomo Andrea Possenti, um dos principais membros do grupo europeu que está no Observatório Astronômico de Cagliari, na Itália. “Esses sinais de longo prazo devem ser correlacionados de um pulsar para outro.”
Hobbs concorda. “Pessoalmente, gostaria que muito mais verificações fossem feitas antes de abrir a garrafa de champanhe”, diz ele.
Se e quando o fundo da onda gravitacional for descoberto, “a recompensa científica será imensa”, diz Monica Colpi, astrofísica da Universidade de Milão-Bicocca, na Itália. A partir dos sinais, os pesquisadores podem obter informações sobre como os buracos negros interagiram com a matéria escura, estrelas e nuvens de gás em suas galáxias, diz ela.
O esforço mundial para caçar as ondas foi atingido em dezembro de 2020, quando o venerável Observatório de Arecibo de 300 metros – que desempenhou um papel importante na medição de pulsares – entrou em colapso. Desde então, a equipe norte-americana redirecionou parte do trabalho para sua outra grande instalação, o Green Bank Telescope de 100 metros na Virgínia Ocidental. “Deixamos cair um punhado de nossos pulsares mais fracos e temos lacunas em nosso conjunto de dados de alguns meses, mas no geral estamos resistindo à perda de [Arecibo] da melhor maneira possível”, diz Siemens.
Esforços futuros se beneficiarão dos dados de tempo de pulsar coletados nos principais observatórios de radioastronomia na Índia e na África do Sul. Eventualmente, espera-se que o radiotelescópio esférico de abertura de quinhentos metros da China também se junte.
E os pesquisadores dizem que o próximo artigo do IPTA, previsto para este ano ou no próximo, pode usar os dados já existentes para confirmar uma descoberta do fundo de ondas gravitacionais produzidas por buracos negros supermassivos. “Agora é a hora de reunir tudo e fazer uma detecção”, diz Kramer.
Publicado em 31/01/2022 05h28
Artigo original:
Estudo original: