Um leve zumbido cósmico poderia resolver o mistério da expansão do Universo

Um grupo de astrofísicos e cosmólogos da Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois Urbana-Champaign e da Universidade de Chicago introduziu uma nova maneira de calcular a constante de Hubble usando ondas gravitacionais, que são pequenas ondulações no espaço-tempo. Sua abordagem melhora a precisão das técnicas anteriores baseadas em ondas gravitacionais. À medida que os detectores se tornam mais sensíveis, este método poderá fornecer medições ainda mais precisas, potencialmente ajudando os cientistas a fechar a lacuna por trás da tensão do Hubble.

O professor de física de Illinois, Nicolás Yunes, disse: “Este resultado é muito significativo – é importante obter uma medição independente da constante de Hubble para resolver a tensão atual de Hubble. Nosso método é uma forma inovadora de aumentar a precisão das inferências da constante de Hubble usando ondas gravitacionais.” Yunes é o diretor fundador do Centro de Estudos Avançados do Universo de Illinois (ICASU) no campus Urbana.

Daniel Holz, professor de Física e de Astronomia e Astrofísica da UChicago e co-autor da pesquisa, disse: “Não é todo dia que você cria uma ferramenta inteiramente nova para cosmologia. Mostramos que usando o zumbido das ondas gravitacionais de fundo da fusão de buracos negros em galáxias distantes, podemos aprender sobre a idade e a composição do universo. 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, como bem como outras quantidades cosmológicas importantes.”

A equipe de pesquisa também inclui o estudante de pós-graduação em física de Illinois, Bryce Cousins, pesquisador de pós-graduação da NSF e principal autor do estudo; Kristen Schumacher, estudante de pós-graduação em física de Illinois, bolsista de pesquisa de pós-graduação da NSF; Ka-wai Adrian Chung, pesquisador associado de pós-doutorado em física de Illinois; e os pesquisadores de pós-doutorado da Universidade de Chicago, Colm Talbot e Thomas Callister, ambos bolsistas de pós-doutorado do Instituto Kavli de Física Cosmológica. Os resultados foram aceitos para publicação em Cartas de revisão física e aparecerá na edição de 11 de março. O artigo completo já está disponível no arXiv.

Como os cientistas medem a expansão do Universo

Desde o início dos anos 1900, os investigadores têm confiado em duas estratégias principais para medir a expansão cósmica. Uma abordagem utiliza observações eletromagnéticas, enquanto a outra utiliza ondas gravitacionais. Um método eletromagnético bem conhecido envolve “velas padrão”, como as supernovas, que são poderosas explosões estelares. Como os astrónomos compreendem o quão brilhantes estes eventos são verdadeiramente, podem calcular a distância à Terra e a rapidez com que se afastam. A combinação desses números revela a taxa de expansão do universo.

Nos últimos anos, as ondas gravitacionais abriram outro caminho. Essas ondas são produzidas quando objetos extremamente densos, como buracos negros, colidem. As ondulações se movem pelo espaço à velocidade da luz, semelhantes às ondas circulares que se espalham pela água depois que uma pedra é jogada em um lago. Na Terra, a Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), uma rede global com mais de 2.000 membros, detecta estes sinais.

As ondas gravitacionais também podem ser usadas para estimar distâncias através do que é conhecido como método da sirene padrão. No entanto, determinar a rapidez com que a fonte está recuando devido à expansão cósmica é mais difícil. Para medir essa velocidade, os astrônomos normalmente precisam detectar a luz da fusão ou identificar a galáxia onde ela ocorreu.

Idealmente, todas estas técnicas apontariam para a mesma constante de Hubble. Em vez disso, eles discordam. Se a tensão persistir, poderá ser um sinal de que os cientistas precisam de rever a sua compreensão do Universo primitivo. As explicações propostas incluem a energia escura inicial, interações entre a matéria escura e os neutrinos ou mudanças na forma como a energia escura se comporta ao longo do tempo.

Um novo método de fundo de ondas gravitacionais

No seu trabalho mais recente, Yunes, Cousins ​​e os seus colegas descrevem uma nova forma de estimar a constante de Hubble, estudando colisões de buracos negros que os detectores atuais não conseguem captar individualmente. Juntos, esses incontáveis ​​​​eventos fracos criam o que é chamado de fundo de onda gravitacional.

“Como estamos a observar colisões individuais de buracos negros, podemos determinar as taxas dessas colisões que acontecem em todo o Universo. Com base nessas taxas, esperamos que haja muito mais eventos que não podemos observar, o que é chamado de fundo de onda gravitacional,” explica Cousins.

A equipe mostrou que se a constante de Hubble fosse menor, o volume total observável do universo também seria menor. Isso significaria que as colisões de buracos negros seriam compactadas em um espaço mais restrito, aumentando a força geral da onda gravitacional de fundo. Se este sinal de fundo não for detectado em um determinado nível, exclui taxas de expansão mais lentas.

Os pesquisadores chamam sua abordagem de método da sirene estocástica, refletindo a natureza aleatória das colisões que contribuem para o fundo das ondas gravitacionais.

Usando dados atuais do LVK, a equipe testou seu método. Mesmo sem detectar diretamente o fundo das ondas gravitacionais, eles foram capazes de descartar taxas de expansão particularmente lentas. Quando combinaram o método da sirene estocástica com medições existentes de fusões de buracos negros individuais, alcançaram uma estimativa mais precisa da constante de Hubble. O seu resultado situa-se dentro do intervalo associado à tensão de Hubble, mostrando o potencial do método para aprimorar medições futuras.

À medida que os observatórios de ondas gravitacionais melhoram, esta estratégia deverá tornar-se ainda mais poderosa. Os cientistas esperam que a onda gravitacional de fundo seja detectada dentro de cerca de seis anos. Até então, limites cada vez mais rigorosos ao sinal de fundo continuarão a estreitar o alcance possível da constante de Hubble.

“Isto deverá abrir caminho para a aplicação deste método no futuro, à medida que continuamos a aumentar a sensibilidade, a restringir melhor o fundo das ondas gravitacionais e talvez até a detectá-las,” diz Cousins. “Ao incluir essa informação, esperamos obter melhores resultados cosmológicos e estar mais perto de resolver a tensão do Hubble.”

Apoio à Pesquisa e Recursos Computacionais

A análise contou com o Illinois Campus Cluster, operado pelo Illinois Campus Cluster Program em parceria com o National Center for Supercomputing Applications.

O financiamento veio do Programa de Bolsas de Pós-Graduação da NSF sob a concessão nº DGE 21-46756 e da concessão nº DGE-1746047 e da NSF sob a concessão PHY-2207650, PHY-2207650 e PHY2110507. Apoio adicional foi fornecido pela Simons Foundation através do Prêmio nº 896696 e da NASA através do Grant nº 80NSSC22K0806. O apoio também veio da bolsa de pós-doutorado Eric e Wendy Schmidt AI in Science e do Instituto Kavli de Física Cosmológica por meio de uma doação da Fundação Kavli e de seu fundador Fred Kavli. As conclusões apresentadas são dos investigadores e não necessariamente das agências financiadoras.