Uma equipe de cientistas internacionais, liderada pelo Galician institute of High Energy Physics of the University (IGFAE) e o Centro de Excelência ARC para a Descoberta de Ondas Gravitacionais (OzGrav), propôs um método simples e inovador para reduzir a precisão das medições da constante de Hubble para 2% usando uma única observação de um par de estrelas de nêutrons em fusão.

Ilustração artística de um par de estrelas de nêutrons em fusão. Crédito: Carl Knox, OzGrav-Swinburne University

O universo está em expansão contínua. Por causa disso, objetos distantes, como galáxias, estão se afastando de nós. Na verdade, quanto mais longe estão, mais rápido se movem. Os cientistas descrevem essa expansão por meio de um número famoso conhecido como constante de Hubble, que nos diz a rapidez com que os objetos no universo se afastam de nós dependendo de sua distância até nós. Ao medir a constante de Hubble de maneira precisa, também podemos determinar algumas das propriedades mais fundamentais do universo, incluindo sua idade.

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Por décadas, os cientistas mediram a constante de Hubble com precisão crescente, coletando sinais eletromagnéticos emitidos por todo o universo, mas chegando a um resultado desafiador: as duas melhores medições atuais fornecem resultados inconsistentes. Desde 2015, os cientistas têm tentado enfrentar esse desafio com a ciência das ondas gravitacionais, ondulações na estrutura do espaço-tempo que viajam à velocidade da luz. As ondas gravitacionais são geradas nos eventos cósmicos mais violentos e fornecem um novo canal de informação sobre o universo. Elas são emitidas durante a colisão de duas estrelas de nêutrons, os núcleos densos de estrelas em colapso e podem ajudar os cientistas a cavar mais fundo no mistério constante de Hubble.

Ao contrário dos buracos negros, a fusão de estrelas de nêutrons produz ondas gravitacionais e eletromagnéticas, como raios X, ondas de rádio e luz visível. Enquanto as ondas gravitacionais podem medir a distância entre a fusão da estrela de nêutrons e a Terra, as ondas eletromagnéticas podem medir a velocidade com que toda a sua galáxia está se afastando da Terra. Isso cria uma nova maneira de medir a constante de Hubble. No entanto, mesmo com a ajuda de ondas gravitacionais, ainda é difícil medir a distância para fusões de estrelas de nêutrons - é, em parte, por que as medições atuais baseadas em ondas gravitacionais da constante de Hubble têm uma incerteza de ~ 16%, muito maior do que medições existentes usando outras técnicas tradicionais.

Em um artigo publicado recentemente no Astrophysical Journal Letters, uma equipe de cientistas liderada pelo ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) e os ex-alunos da Monash University Prof Juan Calderón Bustillo (agora La Caixa Junior Leader e Marie Curie Fellow no Galician institute of High Energy Physics of the University de Santiago de Compostela, Espanha), propôs um método simples e novo para reduzir a precisão dessas medições para 2% usando uma única observação de um par de estrelas de nêutrons em fusão.

Segundo o professor Calderón Bustillo, é difícil interpretar a que distância essas fusões ocorrem porque “atualmente, não podemos dizer se o binário está muito longe e voltado para a Terra, ou se está muito mais próximo, com a Terra em seu plano orbital." Para decidir entre esses dois cenários, a equipe se propôs a estudar componentes secundários e muito mais fracos dos sinais de ondas gravitacionais emitidos por fusões de estrelas de nêutrons, conhecidos como modos superiores.

“Assim como uma orquestra toca instrumentos diferentes, as fusões de estrelas de nêutrons emitem ondas gravitacionais por meio de modos diferentes”, explica o professor Calderón Bustillo. "Quando as estrelas de nêutrons em fusão estão voltadas para você, você só ouvirá o instrumento mais alto. No entanto, se estiver perto do plano orbital da fusão, você também deve ouvir os secundários. Isso nos permite determinar a inclinação da fusão da estrela de nêutrons, e melhor medir a distância."

No entanto, o método não é completamente novo: "Sabemos que isso funciona bem para o caso de fusões de buracos negros muito massivos porque nossos detectores atuais podem registrar o instante da fusão quando os modos superiores são mais proeminentes. Mas, no caso de estrelas de nêutrons, o tom do sinal de fusão é tão alto que nossos detectores não podem registrá-lo. Podemos registrar apenas as órbitas anteriores", disse o professor Calderón Bustillo.

Futuros detectores de ondas gravitacionais, como o proposto projeto australiano NEMO, serão capazes de acessar o estágio de fusão real das estrelas de nêutrons. "Quando duas estrelas de nêutrons se fundem, a física nuclear que rege sua matéria pode causar sinais muito ricos que, se detectados, podem nos permitir saber exatamente onde a Terra está em relação ao plano orbital da fusão", diz o co-autor e OzGrav Investigador-chefe, Dr. Paul Lasky, da Monash University. O Dr. Lasky também é um dos líderes do projeto NEMO. “Um detector como o NEMO pode detectar esses ricos sinais”, acrescenta.

Em seu estudo, a equipe realizou simulações de computador de fusões de estrelas de nêutrons que podem revelar o efeito da física nuclear das estrelas nas ondas gravitacionais. Estudando essas simulações, a equipe determinou que um detector como o NEMO poderia medir a constante de Hubble com uma precisão de 2%.

O co-autor do estudo Prof Tim Dietrich, da Universidade de Potsdam, diz: "Descobrimos que pequenos detalhes que descrevem a maneira como os nêutrons se comportam dentro da estrela produzem assinaturas sutis nas ondas gravitacionais que podem ajudar muito a determinar a taxa de expansão do universo. É fascinante ver como os efeitos na menor escala nuclear podem inferir o que acontece na maior escala cosmológica possível."

Samson Leong, estudante de graduação na Universidade Chinesa de Hong Kong e co-autor do estudo aponta que "uma das coisas mais interessantes sobre o nosso resultado é que obtivemos uma grande melhoria considerando um cenário bastante conservador. Enquanto o NEMO realmente o fará ser sensível à emissão de fusões de estrelas de nêutrons, detectores mais evoluídos como o Telescópio Einstein ou o Explorador Cósmico serão ainda mais sensíveis, permitindo-nos medir a expansão do universo com uma precisão ainda melhor! "

Uma das implicações mais importantes deste estudo é que ele poderia determinar se o universo está se expandindo uniformemente no espaço, conforme a hipótese atual. "Os métodos anteriores para atingir esse nível de precisão dependem da combinação de muitas observações, assumindo que a constante de Hubble é a mesma em todas as direções e ao longo da história do universo", disse Calderón Bustillo. "Em nosso caso, cada evento individual produziria uma estimativa muito precisa de sua própria constante de Hubble", permitindo-nos testar se esta é realmente uma constante ou se varia ao longo do espaço e do tempo."

Mais informações: Juan Calderón Bustillo et al. Mapping the Universe Expansion: Enabling Percent-level Measurements of the Hubble Constant with a Single Binary Neutron-star Merger Detection, The Astrophysical Journal Letters (2021). DOI: 10.3847/2041-8213/abf502

No Arxiv: arxiv.org/abs/2006.11525

Fonte: Phys