O zumbido de fundo do universo pode ter sido ouvido pela primeira vez

Por , em 13.01.2021
nebulosa olho de gato
Imagem de NASA, ESA, HEIC, and The Hubble Heritage Team, STScI/AURA

Baseado no que sabemos sobre ondas gravitacionais, o Universo deve estar cheio delas. Cada par de buracos negros ou estrelas de nêutrons e colisão, cada supernova com núcleo em colapso — até mesmo o próprio Big Bang — deveria ter enviado ondulações vibrando pelo espaço-tempo.

Depois de todo esse tempo, essas ondas seriam fracas e difíceis de encontrar, mas todas elas são previstas para compor um “zumbido” ressonante que permeia nosso Universo, referido como o ondas gravitacionais de fundo. E talvez tenhamos observado a sua primeira indicação.

Você pode pensar nas ondas gravitacionais de fundo como vibrações deixadas para trás por eventos maciços ao longo da história do nosso Universo — potencialmente inestimáveis para nossa compreensão do cosmos, mas incrivelmente difíceis de detectar.

“É incrivelmente emocionante ver um sinal tão forte emergir dos dados”, disse o astrofísico Joseph Simon, da Universidade de Colorado Boulder, e a colaboração NANOGrav.

“No entanto, como o sinal de onda gravitacional que estamos procurando abrange toda a duração de nossas observações, precisamos entender cuidadosamente nosso ruído. Isso nos deixa em um lugar muito interessante, onde podemos descartar fortemente algumas fontes de ruído conhecidas, mas ainda não podemos dizer se o sinal é de fato de ondas gravitacionais. Para isso, precisaremos de mais dados.”

No entanto, a comunidade científica está animada. Mais de 80 artigos citando a pesquisa apareceram desde que a pré-impressão da equipe foi postada no arXiv em setembro do ano passado.

Equipes internacionais têm trabalhado duro, analisando dados para tentar refutar ou confirmar os resultados da equipe. Descobrir se o sinal é real, pode abrir um novo estágio na astronomia de ondas gravitacionais ou nos revelar fenômenos astrofísicos totalmente novos.

O sinal vem de observações feitas de um tipo de estrela morta chamada pulsar. Estas são estrelas de nêutrons que são orientadas de tal forma que emitem curtos feixes de ondas de rádio de seus polos à medida que giram a velocidades de milissegundos comparáveis ao liquidificador da sua cozinha.

Esses flashes são incrivelmente cronometrados, o que significa que os pulsares são possivelmente as estrelas mais úteis do Universo. Variações em seu tempo podem ser utilizadas para navegação, para sondar o meio interestelar e estudar a gravidade. 

Isso porque as ondas gravitacionais distorcem o espaço-tempo à medida que se alastram, o que teoricamente deve mudar — mas muito pouco — o tempo dos pulsos de rádio emitidos pelos pulsares.

“a onda gravitacional de fundo se estende e reduz o tempo espacial entre os pulsares e a Terra, fazendo com que os sinais dos pulsares cheguem um pouco mais tarde (alongados) ou mais cedo (encolhidos) do que aconteceria se não houvesse ondas gravitacionais”, explicou o astrofísico Ryan Shannon, da Universidade de Tecnologia de Swinburne, e a colaboração OzGrav, que não estava envolvida na pesquisa, explicou ao ScienceAlert.

Um único pulsar com uma batida irregular não significaria necessariamente grande coisa. Mas se muitos pulsares exibissem um padrão correlacionado de variação de tempo, isso poderia constituir evidência das ondas gravitacionais de fundo.

Tal coleção de pulsares é conhecida como uma matriz de tempo pulsar, e é isso que a equipe NANOGrav tem observado; 45 dos pulsares de milissegundos mais estáveis da Via Láctea.

Eles ainda não detectaram o sinal que confirmaria a onda gravitacional de fundo.

Mas eles detectaram algo; um sinal de “ruído comum” que, explicou Shannon, varia de pulsar para pulsar, mas exibe características semelhantes todas as vezes. Esses desvios resultaram em variações de algumas centenas de nanossegundos ao longo dos 13 anos de observações, afirmou Simon.

Há outras coisas que podem produzir este sinal. Por exemplo, uma matriz de tempo pulsar precisa ser analisada a partir de um quadro de referência que não está acelerando, o que significa que qualquer dado precisa ser transposto para o centro do Sistema Solar, conhecido como baricentro, em vez da Terra.

Se o baricentro não for calculado com precisão — uma coisa mais complicada de fazer do que parece, já que é o centro de massa de todos os objetos em movimento no Sistema Solar — então você pode obter um sinal falso. No ano passado, a equipe da NANOGrav anunciou que havia calculado o baricentro do Sistema Solar com 100 metros de precisão.

Ainda há uma chance de que essa discrepância possa ser a fonte do sinal que encontraram, e mais trabalho precisa ser feito para resolver isso.

Porque se o sinal realmente é de alguma onda gravitacional ressonante vibrando, seria uma grande descoberta, já que a fonte dessas ondas gravitacionais de fundo é provavelmente buracos negros supermassivos.

Uma vez que as ondas gravitacionais nos mostram os fenômenos que não podemos detectar eletromagneticamente — como colisões de buracos negros — isso poderia ajudar a resolver enigmas como o problema final de parsec, que afirma que buracos negros supermassivos podem não ser capazes de se fundir, e nos ajudar a entender melhor a evolução e o crescimento galáctico.

Mais adiante, podemos até ser capazes de detectar as ondas gravitacionais produzidas logo após o Big Bang, o que nos dará uma janela única para o universo primitivo.

Ainda precisamos fazer muita ciência antes de chegarmos a esse ponto.

“Este é um possível primeiro passo para a detecção de ondas gravitacionais de frequência de nanohertz”, disse Shannon. “Gostaria de advertir o público e os cientistas a não exagerarem ao interpretar os resultados. Ao longo do próximo ano ou dois eu acho que evidências vão emergir quanto à natureza do sinal.

Outras equipes, também, estão trabalhando no uso de matrizes de tempo pulsar para detectar ondas gravitacionais. OzGrav faz parte do Parkes Pulsar Timing Array, que lançará a análise de seus conjuntos de dados de 14 anos em breve. O European Pulsar Timing Array também está trabalhando duro. O resultado da NANOGrav só aumentará a excitação e a expectativa de que há algo para encontrar lá.

“Tem sido incrivelmente emocionante ver um sinal tão forte emergir de nossos dados, mas as coisas mais emocionantes para mim são os próximos passos”, disse Simon ao ScienceAlert.

“Ainda temos que avançar para para chegar a uma detecção definitiva, esse é apenas o primeiro passo. Além disso, temos a oportunidade de identificar a fonte das ondas gravitacionais de fundo, e além disso, podemos descobrir o que elas podem nos dizer sobre o Universo.”

A pesquisa da equipe foi publicada no The Astrophysical Journal Letters.

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