Traduzido por Julio Batista
Original de Michelle Starr para o ScienceAlert
O Universo deveria estar zumbindo.
Cada supernova, cada fusão entre estrelas de nêutrons ou buracos negros, até mesmo estrelas de nêutrons solitárias girando rapidamente, podem ou devem ser uma fonte de ondas gravitacionais.
O evento da rápida inflação do espaço após o Big Bang 13,8 bilhões de anos atrás deveria ter produzido sua própria cascata de ondas gravitacionais.
Como uma pedra jogada em um lago, esses eventos maciços devem enviar ondulações que reverberam através do próprio tecido do espaço-tempo – fracas expansões e contrações do espaço que podem ser detectadas por nós como discrepâncias que deveriam ser percebidas como sinais precisamente cronometrados.
Coletivamente, essa mistura de sinais se combina para formar um zumbido aleatório ou ‘estocástico’ conhecido como fundo de ondas gravitacionais, e é possivelmente uma das detecções mais procuradas na astronomia de ondas gravitacionais.
A nova fronteira na exploração espacial
Acredita-se – assim como a descoberta da radiação cósmica de fundo fez antes (e continua a fazer) – que encontrar a fundo de ondas gravitacionais irá explodir nossa compreensão do Universo e sua evolução.
“A detecção de um fundo estocástico de radiação gravitacional pode fornecer uma riqueza de informações sobre populações de fontes astrofísicas e processos no Universo primitivo, que não são acessíveis por nenhum outro meio”, explicou a física teórica Susan Scott, da Universidade Nacional da Austrália e do Centro de Excelência ARC para Descoberta de Ondas Gravitacionais.
“Por exemplo, a radiação eletromagnética não fornece uma imagem do Universo antes do tempo da última dispersão (cerca de 400.000 anos após o Big Bang). As ondas gravitacionais, no entanto, podem nos fornecer informações desde o início da inflação, apenas ~10-32 segundos após o Big Bang.”
Para entender a importância do fundo de ondas gravitacionais devemos falar um pouco sobre outra relíquia do Big Bang: a radiação cósmica de fundo.
Momentos depois que nosso Universo começou a se formar e o espaço começou a esfriar, a espuma borbulhante que permeava todo o espaço congelou em uma sopa opaca de partículas subatômicas na forma de plasma ionizado.
Qualquer radiação que surgisse com ela era espalhada, impedindo-a de percorrer grandes distâncias. Não foi até que essas partículas subatômicas se recombinassem em átomos, uma era conhecida como a Era da Recombinação, que a luz pôde se mover livremente através do Universo e através das eras.
O primeiro flash de luz irrompeu no espaço cerca de 380.000 anos após o Big Bang e, à medida que o Universo cresceu e se formou nos bilhões de anos seguintes, essa luz foi arrastada para todos os cantos. Ainda está ao nosso redor hoje. Esta radiação é extremamente fraca, mas detectável, particularmente em comprimentos de onda de micro-ondas. Este é o fundo cósmico de micro-ondas, a primeira luz do Universo.
As irregularidades dessa luz, conhecidas como anisotropias, foram causadas por pequenas flutuações de temperatura representadas por essa primeira luz. É difícil exagerar o quão fenomenal foi sua descoberta: o fundo cósmico de micro-ondas é uma das únicas sondas que temos do estado do Universo primitivo.
A descoberta do fundo de ondas gravitacionais seria uma réplica magnífica dessa conquista.
“Esperamos que a detecção e análise do fundo de ondas gravitacionais revolucionem nossa compreensão do Universo”, disse Scott, “da mesma forma pioneira que foi através da observação do fundo cósmico de micro-ondas e suas anisotropias”.
O zumbido além das expansões e contrações
A primeira detecção de ondas gravitacionais foi feita há pouco tempo, em 2015.
Dois buracos negros que colidiram há cerca de 1,4 bilhão de anos enviaram ondulações se propagando na velocidade da luz; na Terra, essas expansões e contrações do espaço-tempo acionaram muito fracamente um instrumento projetado e refinado por décadas, esperando para detectar exatamente esse evento.
Foi uma detecção monumental por vários motivos. Isso nos deu a confirmação direta, pela primeira vez, da existência de buracos negros.
Ele confirmou uma previsão feita pela Teoria da Relatividade Geral 100 anos antes de que as ondas gravitacionais são reais.
E isso significava que essa ferramenta, o interferômetro de ondas gravitacionais, na qual os cientistas vinham trabalhando há anos, revolucionaria nossa compreensão dos buracos negros.
E tem revolucionado. Os interferômetros LIGO e Virgo detectaram quase 100 eventos de ondas gravitacionais até o momento: aqueles fortes o suficiente para produzir um sinal marcado nos dados.
Esses interferômetros usam lasers que brilham em túneis especiais com vários quilômetros de extensão. Esses lasers são afetados pelo alongamento e compressão do espaço-tempo produzido por ondas gravitacionais, gerando um padrão de interferência a partir do qual os cientistas podem inferir as propriedades dos objetos compactos que geram os sinais.
Mas o fundo de ondas gravitacionais é um monstrengo diferente.
“Um fundo astrofísico é produzido pelo ruído confuso de muitas fontes astrofísicas fracas, independentes e não solucionadas”, disse Scott.
“Nossos detectores de ondas gravitacionais terrestres LIGO e Virgo já detectaram ondas gravitacionais de dezenas de fusões individuais de um par de buracos negros, mas espera-se que o fundo astrofísico das fusões de buracos negros binários de massa estelar seja uma fonte chave do fundo de ondas gravitacionais para esta geração atual de detectores. Sabemos que há um grande número dessas fusões que não podem ser solucionadas individualmente e, juntas, produzem um zumbido de ruído aleatório nos detectores.”
A taxa na qual os buracos negros binários colidem no Universo é desconhecida, mas a taxa na qual podemos detectá-los nos dá uma linha de base a partir da qual podemos fazer uma estimativa.
Os cientistas acreditam que seja entre cerca de uma fusão por minuto e várias por hora, com o sinal detectável de cada uma durando apenas uma fração de segundo. Esses sinais aleatórios individuais provavelmente seriam fracos demais para serem detectados, mas se combinariam para criar um ruído de fundo estático; os astrofísicos o comparam ao som de pipoca estourando.
Esta seria a fonte de um sinal de onda gravitacional estocástica que poderíamos esperar encontrar com instrumentos como os interferômetros LIGO e Virgo. Esses instrumentos estão atualmente em manutenção e preparação e serão acompanhados por um terceiro observatório, KAGRA no Japão, em uma nova operação de observação em março de 2023. A detecção do fundo de ondas gravitacionais na versão pipoca por esta colaboração não está fora de questão.
Estas não são as únicas ferramentas no kit de ondas gravitacionais, no entanto. E outras ferramentas serão capazes de detectar outras fontes do fundo de ondas gravitacionais. Uma dessas ferramentas, ainda a 15 anos de distância, é a Laser Interferometer Space Antenna (LISA), com lançamento previsto para 2037.
É baseada na mesma tecnologia do LIGO e do Virgo, mas com “braços” de 2,5 milhões de quilômetros de extensão. Ela operará em um regime de frequência muito mais baixa do que o LIGO e o Virgo e, portanto, detectará diferentes tipos de eventos de ondas gravitacionais.
“O fundo de ondas gravitacionais nem sempre é parecido com pipoca estourando”, disse Scott ao ScienceAlert.
“Também pode consistir em sinais determinísticos individuais que se sobrepõem no tempo, produzindo um ruído de confusão, semelhante às conversas de fundo em uma festa. Um exemplo de ruído confuso é a radiação gravitacional produzida pela população galáctica de anãs brancas binárias compactas. Isso será uma importante fonte de ruído confuso para a LISA. Nesse caso, o sinal estocástico é tão forte que se torna um primeiro plano, atuando como uma fonte adicional de ruído ao tentar detectar outros sinais de ondas gravitacionais fracas na mesma faixa de frequência.”
A LISA teoricamente também poderia detectar fontes cosmológicas do fundo de ondas gravitacionais, como a inflação cósmica logo após o Big Bang ou as cordas cósmicas – rachaduras teóricas no Universo que poderiam ter se formado no final da inflação, perdendo energia por meio de ondas gravitacionais.
Cronometrando o pulso do cosmos
Há também um enorme observatório de ondas gravitacionais em escala galáctica que os cientistas têm estudado para procurar indícios do fundo de ondas gravitacionais: matrizes de temporização de pulsar. Os pulsares são um tipo de estrela de nêutrons, restos de estrelas outrora massivas que morreram em uma supernova espetacular, deixando apenas um núcleo denso para trás.
Os pulsares giram de tal forma que os feixes de emissão de rádio de seus polos passam pela Terra, como um farol cósmico; alguns deles fazem isso em intervalos incrivelmente precisos, o que é útil para uma variedade de aplicações, como navegação.
Mas o alongamento e a compressão do espaço-tempo deveriam, teoricamente, produzir pequenas irregularidades no tempo dos flashes dos pulsares.
Um pulsar exibindo pequenas inconsistências no tempo pode não significar muito, mas se um grupo de pulsares mostrar inconsistências de tempo correlacionadas, isso pode ser indicativo de ondas gravitacionais produzidas pela influência de buracos negros supermassivos.
Os cientistas encontraram pistas tentadoras dessa fonte do fundo de ondas gravitacionais em matrizes de temporização de pulsar, mas ainda não temos dados suficientes para determinar se esse é o caso.
Estamos tão sedutoramente perto de detectar o fundo da onda gravitacional: o fundo astrofísico, revelando o comportamento dos buracos negros em todo o Universo; e o pano de fundo cosmológico – as flutuações quânticas vistas na fonte de ondas gravitacionais, a inflação, o próprio Big Bang.
Esta, dissse Scott, é a baleia branca: aquela que só veremos após o difícil trabalho de separar o fundo nas fontes discretas que compõem o todo barulhento.
“Enquanto esperamos uma riqueza de informações provenientes da detecção de um fundo produzido astrofisicamente, a observação de ondas gravitacionais do Big Bang é realmente o objetivo final da astronomia de ondas gravitacionais”, disse ela.
“Ao remover este primeiro plano de buracos negros binários, os detectores terrestres de terceira geração propostos, como o Telescópio Einstein e o Explorador Cósmico, podem ser sensíveis a um fundo cosmologicamente produzido com 5 anos de observações, entrando assim no reino onde importantes observações cosmológicas podem ser feitas.”
