O método da 'sirene espectral' sugere que fusões entre objetos cósmicos maciços e compactos podem ajudar a entender como o universo evoluiu

Uma ilustração da fusão de buracos negros lançando ondas gravitacionais. Crédito da imagem: ESA

Os cientistas podem ter encontrado uma maneira de usar as colisões de buracos negros para medir a taxa de expansão do universo e resolver alguns dos mistérios que cercam a energia escura, a força misteriosa que impulsiona a expansão cósmica acelerada.

Assim, os cientistas esperam usar colisões cósmicas entre pares de buracos negros binários apertados, como o que a equipe chama de 'sirenes espectrais' para fornecer uma técnica de medição alternativa para a constante de Hubble. Finalmente, resolver essa premente preocupação cosmológica pode revelar com mais detalhes como o universo evoluiu e como ele era em seus primeiros anos.

Em particular, uma melhor compreensão da evolução do universo pode ajudar os cosmólogos a resolver alguns quebra-cabeças importantes sobre a energia escura. A energia escura compõe cerca de 68% do conteúdo de matéria e energia do universo, e os cientistas querem determinar quando essa força misteriosa começou a dominar a matéria e por que essa mudança ocorreu. 

No coração do método da sirene espectral estão as ondas gravitacionais, ondulações no próprio tecido do espaço e do tempo, que são lançadas por poderosos eventos cósmicos como a colisão e a fusão de objetos compactos massivos como estrelas de nêutrons e buracos negros.

Na Terra, interferômetros a laser incrivelmente sensíveis, como o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO), o observatório italiano Virgo e o Detector de Ondas Gravitacionais Kamioka (KAGRA) do Japão, podem medir esses fracos sinais de ondas gravitacionais. 

Desde a primeira detecção de ondas gravitacionais em setembro de 2015, o LIGO e seus instrumentos parceiros coletaram dados de cerca de 100 fusões distantes. Cada detecção dá aos cientistas uma dica sobre o tamanho dos buracos negros envolvidos na fusão. Por exemplo, essa primeira detecção de ondas gravitacionais resultou da colisão de dois buracos negros, cada um contendo cerca de 30 vezes a massa do sol. 

O novo método de sirene espectral sugere que os sinais de ondas gravitacionais também podem codificar outras informações. Especificamente, à medida que essas ondulações no espaço-tempo viajam por enormes distâncias e longas escalas de tempo para chegar à Terra, as propriedades de seus sinais são alteradas pela expansão do universo.

"Por exemplo, se você pegasse um buraco negro e o colocasse no universo quando jovem, o sinal mudaria e pareceria um buraco negro maior do que realmente é", disse o coautor da pesquisa e astrofísico da Universidade de Chicago Daniel Holz em uma declaração. 

Para desvendar informações sobre a taxa de expansão do universo codificado em dados de ondas gravitacionais, os cientistas precisarão saber como o sinal mudou desde que foi lançado no espaço. Holz e seu colega acreditam que uma população recém-descoberta de buracos negros locais poderiam ser usados como uma ferramenta para avaliar essas mudanças.

“Então, medimos as massas dos buracos negros próximos e entendemos suas características, e então olhamos mais longe e vemos o quanto esses outros parecem ter mudado”, Jose María Ezquiaga, coautor e astrofísico também da Universidade de Chicago, disse no comunicado. "E isso lhe dará uma medida da expansão do universo".

As ondas gravitacionais, como a luz, levam tempo para viajar de sua fonte até a Terra, detectar essas ondulações de fusões de buracos negros mais distantes permite que os cientistas olhem para trás no tempo. E os autores do estudo dizem que, à medida que o LIGO e outros detectores se tornam ainda mais poderosos e coletam sinais de ondas gravitacionais de eventos mais distantes, os pesquisadores talvez possam um dia observar colisões que ocorreram há 10 bilhões de anos, cerca de 3,8 bilhões de anos após o Big Bang. É também quando os pesquisadores acreditam que a energia escura começou a dominar outras formas de matéria e energia.

"Foi nessa época que mudamos da matéria escura como força predominante no universo para a energia escura, e estamos muito interessados em estudar essa transição crítica", disse Ezquiaga. 

Ezquiaga e Holz dizem que o método da sirene espectral para medir a constante de Hubble pode ter vantagens sobre outras técnicas, como medir a mudança na frequência da luz de supernovas distantes ou estrelas explosivas. (Essas abordagens dependem da compreensão da física das estrelas e galáxias e, portanto, da física e da astrofísica complicadas.)

Essa nova técnica, no entanto, depende de pouco mais do que o bem estabelecido modelo de gravidade de Einstein, a teoria da relatividade geral, e usa buracos negros locais como uma ferramenta de calibração integrada. Essa calibração melhorará à medida que mais dados de ondas gravitacionais forem coletados de buracos negros em colisão. 

“Precisamos preferencialmente de milhares desses sinais, que devemos ter em alguns anos e ainda mais na próxima década ou duas”, concluiu Holz. "Nesse ponto, seria um método incrivelmente poderoso para aprender sobre o universo".

A pesquisa da dupla é discutida em um artigo publicado em 3 de agosto na Physical Review Letters.

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Referência:

LEA, Robert. Colliding black holes could clock universe's expansion rate. Space, Nova York, 17, ago. 2022. Disponível em: <https://www.space.com/colliding-black-holes-measure-universe-expansion>. Acesso em: 17, ago. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.