É oficial. Há algo lá fora sacudindo as estrelas de uma forma que não pode mais ser atribuída ao acaso. Seriam ondas gravitacionais?
Várias equipes ao redor do mundo encontraram independentemente um sinal no tempo de estrelas piscantes chamadas pulsares que aponta para ondas gravitacionais gigantes de longo comprimento de onda se propagando pela galáxia. Ainda não é bem uma detecção dessas ondas gravitacionais – mas há mais de 99% de chance de que o que estamos vendo seja algo significativo.
Equipes na Austrália, Estados Unidos, Europa, China e Índia estão divulgando seus resultados simultaneamente em uma série de documentos.
“Temos estado em uma missão nos últimos 15 anos para encontrar um zumbido de baixa frequência de ondas gravitacionais ressoando por todo o Universo e varrendo nossa galáxia para distorcer o espaço-tempo de uma maneira mensurável”, disse o astrofísico Stephen Taylor, da Vanderbilt University e presidente da NANOGrav, a equipe nos EUA, disse em uma coletiva de imprensa.
“Estamos muito felizes em anunciar que nosso trabalho árduo valeu a pena e … temos evidências interessantes desse histórico de ondas gravitacionais”.
A astronomia de ondas gravitacionais é um campo relativamente novo, após a detecção de ondulações espaço-temporais causadas por dois buracos negros em colisão em 2015. Desde então, nossos detectores de ondas gravitacionais baseados na Terra captaram quase 100 eventos de ondas gravitacionais confirmados no momento desta escrita, tudo criado por fusões de objetos compactos de massa estelar – buracos negros e estrelas de nêutrons.
As ondas gravitacionais são causadas por eventos massivos no Universo. Imagine uma colisão entre buracos negros como uma pedra jogada em um lago e ondas gravitacionais como as ondulações geradas. O meio é o próprio espaço-tempo, e as ondulações, viajando na velocidade da luz, se propagam em todas as direções, esticando e espremendo o espaço-tempo de uma forma que podemos detectar. Explicamos todos os antecedentes com mais detalhes aqui, se você quiser se aprofundar.
Agora imagine quantos buracos negros devem estar colidindo no Universo. E quantos outros eventos maciços devem estar gerando essas ondulações. O espaço-tempo deveria estar absolutamente cheio de ondas gravitacionais, mas há um problema. A Terra é simplesmente muito pequena para detectá-los nos comprimentos de onda mais longos na escala nanohertz que podem se estender por anos-luz, aqueles esperados de eventos mais massivos, como as fusões dos buracos negros supermassivos nos centros das galáxias.
Felizmente, porém, vivemos em uma galáxia muito maior que a Terra. E há algo em nossa galáxia que emite sinais cronometrados com muita precisão que podem ser afetados por ondas gravitacionais de nanohertz: pulsares de rádio. Estas são estrelas de nêutrons que giram extremamente rápido, com jatos de luz de rádio saindo de seus pólos magnéticos. À medida que giram, esses feixes passam pela Terra como um farol cósmico e, como o tempo desses pulsos é tão preciso, podemos usá-los para detectar a maneira como o espaço se estende e se contrai à medida que as ondas gravitacionais passam.
Uma pequena falha no tempo não é suficiente. Mas se você tiver pulsares suficientes com falhas correlacionadas por um período de tempo longo o suficiente, poderá compilar evidências de uma grande onda gravitacional. Foi isso que as diferentes equipes ao redor do mundo fizeram, estudando um total de 115 pulsares entre si, por até 18 anos para o Parkes Pulsar Timing Array na Austrália.
“Uma matriz de tempo de pulsar é um detector de ondas gravitacionais em escala galáctica. Detectamos um ‘ruído’ comum entre os pulsares em nossa matriz – um sinal em frequências ultrabaixas”, disse o astrofísico Daniel Reardon do PPTA e Swinburne University na Austrália.
“Nós, junto com nossos colegas internacionais, agora também estamos vendo uma sugestão da impressão digital que identifica esse estrondo como originário de ondas gravitacionais”.
Já tivemos indícios desse sinal antes. Em janeiro de 2021, o NANOGrav publicou um artigo detalhando o que eles pensavam ser o primeiro indício de fundo da onda gravitacional em seus dados de tempo de pulsar. Em janeiro de 2022, o International Pulsar Timing Array seguiu o exemplo com seu conjunto de pulsares.
Agora, após um trabalho meticuloso para determinar se o sinal não foi gerado pelos pulsares ou outro ruído nos dados, os pesquisadores concluíram que o sinal é significativo.
O sinal do NANOGrav tem um nível de confiança de 4 sigma em 67 pulsares, ou 99,349 por cento. O sinal do PPTA tem um nível de confiança mais baixo porque estudou menos pulsares; sua detecção é baseada em apenas 30 estrelas, mas por um período mais longo. O padrão-ouro para uma descoberta é 5 sigma. Portanto, ainda há muito trabalho a ser feito.
“Esta ainda não é uma detecção de ondas gravitacionais”, diz Reardon. “Essa impressão digital precisará se tornar mais clara, por exemplo, usando mais dados, para confirmar isso como uma detecção de onda gravitacional. Mas isso é muito emocionante, no entanto, porque a impressão digital deveria emergir lentamente em nossos conjuntos de dados, como parece estar fazendo com as evidências observadas pela coleção de colaborações da matriz de temporização de pulsares.”
Como ainda não é uma detecção de onda gravitacional confirmada, os pesquisadores não podem dizer conclusivamente o que está causando isso. A resposta mais óbvia é buracos negros supermassivos. Fusões de buracos negros supermassivos devem ocorrer a uma taxa que preencha o Universo com ruído de ondas gravitacionais, como o barulho do mar.
Não é a única fonte potencial de fundo de onda gravitacional. Cordas cósmicas, mudanças de fase no Universo, a rápida inflação do espaço que se seguiu ao Big Bang – tudo isso poderia produzir ondas gravitacionais de baixa frequência. (O Big Bang também pode ter produzido essa assinatura cósmica, mas o comprimento de onda seria do tamanho do Universo – algo para o qual definitivamente não temos um detector grande o suficiente.)
O que provavelmente estamos vendo agora é o sinal de fundo de um buraco negro supermassivo.
“Sabemos que toda grande galáxia tem um buraco negro supermassivo em seu núcleo. Também sabemos que as galáxias colidem e, quando isso acontece, esperamos que os buracos negros supermassivos afundem no centro e comecem a girar um ao redor do outro, emitindo ondas gravitacionais, ” Reardon explica.
“Quanto mais longe olhamos no Universo, mais desses sistemas de buracos negros supermassivos podemos ver. Uma população muito grande de buracos negros supermassivos em órbita no Universo distante cria um oceano aleatório de ondas gravitacionais que lavam a Terra e os pulsares em nossa galáxia.”
A física da matriz de tempo de pulsares é um processo longo, mas estamos perto do sinal confirmado. As matrizes separadas de tempo de pulsar em todo o mundo agora combinaram seus conjuntos de dados e estão trabalhando para corroborar suas descobertas sob a colaboração do IPTA. Essa confirmação deve ocorrer dentro de um ano, talvez dois de cada vez.
Então, uma nova era ousada de astronomia de ondas gravitacionais de nanohertz pode começar. Os pesquisadores serão capazes de separar o sinal, estudar suas características e descobrir as fontes das enormes perturbações gravitacionais que se espalham pelo espaço. A partir daí, podemos até começar a investigar, com mais detalhes do que nunca, as propriedades dos buracos negros supermassivos.
“Esses trabalhos de matriz de tempo de pulsar são os primeiros indícios de ondas gravitacionais de frequência nanohertz”, disse Reardon ao ScienceAlert.
“Imaginar que o Universo é realmente um oceano estrondoso de espaço que se estende e se comprime é incrível. Buracos negros supermassivos são gigantes cósmicos no coração das galáxias que se alimentam de gás e interrompem a formação de estrelas. Estou animado para um futuro onde nossas observações de pulsar revelam um intrincado mapa de ondas gravitacionais ondulando de pares de buracos negros supermassivos. Devemos ver o zumbido de fundo do Universo como ‘pontos quentes’ identificados através de ondas gravitacionais de pares individuais de buracos negros supermassivos situados em galáxias que podemos identificar.”
Os artigos do PPTA serão publicados no The Astrophysical Journal Letters and Publications of the Astronomical Society of Australia. Os cinco artigos do NANOGrav aparecerão no The Astrophysical Journal Letters. O trabalho do Chinese Pulsar Timing Array aparece na Research in Astronomy and Astrophysics.
Por Michelle Starr
Publicado no ScienceAlert
