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Ilustração inspirada no próximo detector LISA da Agência Espacial Europeia, com ondas gravitacionais ondulando ao fundo. Estudar o leve zumbido das ondas gravitacionais no universo poderia ajudar a resolver a tensão de Hubble, um dos maiores problemas incômodos da física. | Fonte: ESA
Os físicos podem ter uma maneira totalmente nova de medir a taxa de expansão do universo – um dos maiores mistérios não resolvidos da cosmologia – usando ondulações no espaço-tempo previsto por Einstein.
Um novo estudo sugere que sim fundo de onda gravitacional fraca produzidos pelos numerosos buracos negros em fusão no universo podem ser usados para medir de forma independente a taxa de expansão do espaço. Mesmo sem detectar diretamente este ruído de fundo, os cientistas mostram que ele já estabelece limites para a constante de Hubble – uma quantidade chave no centro de um dos maiores enigmas da cosmologia moderna.
Se confirmada, a técnica poderá encerrar o debate sobre a necessidade de uma nova física para explicar a natureza do universo.
Teste independente da constante de Hubble
O foco estava na taxa de expansão do universo, codificada na constante de Hubble discussão animada nos últimos anos. Medições baseadas no Universo primitivo, como aquelas inferidas a partir de restos de radiação do Universo O Big Bang (conhecida como radiação cósmica de fundo em micro-ondas), não concorda com medições de objetos mais próximos, como supernovas e galáxias cintilantes. Esta discrepância, conhecida como tensão de Hubble, atingiu agora uma elevada significância estatística.
“A tensão de Hubble é um dos problemas em aberto mais importantes da cosmologia.” Chiara Mingarelliprofessor assistente de física da Universidade de Yale, que não esteve envolvido no novo estudo, disse ao Live Science por e-mail. “As medições da taxa de expansão no Universo primitivo e tardio discordam em mais de 5 sigma (o chamado “padrão ouro” de significância estatística em física) e não sabemos por quê. Ou há um erro sistemático não identificado ou uma nova física. Qualquer medição verdadeiramente independente da taxa de expansão é extremamente valiosa.”
O novo estudo, aceito para publicação na revista Physical Review Letters e disponível como: pré-impressãopropõe um método tão independente baseado quase exclusivamente em ondas gravitacionais – ondulações sutis na estrutura do espaço-tempo previsto pela teoria geral da relatividade de Einstein.
“Este resultado é muito significativo”, coautor do estudo Nicolas Yunesprofessor de astrofísica da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, disse em: declaração. “Nosso método é uma forma inovadora de aumentar a precisão de inferir as constantes de Hubble usando ondas gravitacionais.”
Ouvindo o barulho dos buracos negros ao fundo
Desde 2015, detectores como o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro Laser (LIGO), o Interferômetro de Virgem e o Detector de Ondas Gravitacionais Kamioka (KAGRA) observaram dezenas de fusões de buracos negros individuais por meio de ondas gravitacionais. Cada fusão fornece informações sobre as massas buracos negros envolvidos e suas distâncias da Terra.
Ondas gravitacionais são criadas quando dois objetos massivos, como buracos negros (mostrados aqui), colidem. Os físicos acreditam que o universo pulsa com um leve ruído de fundo de inúmeras colisões de buracos negros que são muito fracos para serem detectados – um fenômeno chamado fundo de onda gravitacional. | Fonte: NASA Goddard
“Como observamos colisões individuais de buracos negros, podemos determinar a frequência dessas colisões que ocorrem em todo o universo”, disse o principal autor do estudo. Primos Bryce– disse o graduado da Universidade de Illinois Urbana-Champaign em um comunicado. “Com base nessas métricas, esperamos que haja muitos mais eventos que não seremos capazes de observar, o que é chamado de fundo de onda gravitacional”. Este fundo de onda gravitacional, por vezes descrito como um sinal estocástico (ou aleatório), é o efeito fraco e colectivo de numerosas ligações distantes. A sua força global depende da rapidez com que o Universo se está a expandir. Uma expansão mais lenta implica maiores volumes cósmicos e, portanto, mais fusões contribuindo para o cenário.
“É uma ideia inteligente”, disse Mingarelli. “O fundo da onda gravitacional – o ruído coletivo da fusão de buracos negros distantes, muito fraco para ser detectado individualmente – depende da taxa de expansão. Uma expansão mais lenta significa volumes maiores, mais fusões e um fundo mais alto. Portanto, mesmo a falha na detecção deste fundo não favorece valores baixos da constante de Hubble.”
Usando dados atuais de detectores de ondas gravitacionais, a equipe mostrou que a falta de fundo detectado já exclui alguns valores mais baixos da constante de Hubble. Embora as limitações atuais sejam amplas, o método estabelece uma nova estrutura para inferência cosmológica.
Uma nova ferramenta para cosmologia
A abordagem é baseada no conceito de “sirenes padrão”, nas quais eventos individuais de ondas gravitacionais atuam como marcadores de distância. No entanto, em vez de depender de eventos brilhantes únicos, o novo método utiliza toda a população não reconhecida de buracos negros em colisão.
“Não é todo dia que surge uma ferramenta completamente nova em cosmologia”, coautor do estudo Daniel Madeira– disse um professor de física e astronomia da Universidade de Chicago em comunicado. “Mostramos que usando o ruído de ondas gravitacionais de fundo produzido por fusões de buracos negros em galáxias distantes, podemos aprender sobre a idade e a composição do Universo.
Ilustração de ondas gravitacionais emitidas por uma colisão de buraco negro. | Fonte: NASA/C. Henze
“Esta é uma direção emocionante e completamente nova, e estamos ansiosos para aplicar nossos métodos a conjuntos de dados futuros para ajudar a restringir a constante de Hubble, bem como outras quantidades cosmológicas importantes”, acrescentou Holz.
Embora o novo método seja promissor, Mingarelli também destacou as limitações atuais. “A principal vantagem é que se trata de uma medição quase inteiramente baseada em ondas gravitacionais – independente da escada de distância eletromagnética e da radiação cósmica de fundo”, disse Mingarelli. “A limitação é que a incerteza ainda é grande e o resultado depende do modelo populacional de buraco negro adotado. Porém, os autores falam sobre isso abertamente e mostram que suas escolhas são conservadoras”.
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Olhando para o futuro atualizações do detector Espera-se que melhorem significativamente a sensibilidade ao fundo das ondas gravitacionais.
“Com melhorias planejadas no detector, o fundo deverá ser detectado dentro de alguns anos, tornando o limite inferior uma medição real”, disse Mingarelli.
Se for bem-sucedido, este método da sirene estocástica poderá tornar-se uma nova ferramenta poderosa para examinar a história da expansão do universo e se a tensão de Hubble sinaliza uma nova física ou erros sistemáticos ocultos nas medições existentes.
