Astrônomos detectam um “batimento cardíaco” cósmico em sinais de pulsar

Suas descobertas foram publicadas recentemente no Jornal de Cosmologia e Física de Astropartículas (JCAP).

O céu noturno contém “relógios cósmicos” notavelmente precisos: pulsares, que são estrelas de nêutrons densas que emitem pulsos de rádio em intervalos constantes, funcionando como metrônomos perfeitamente cronometrados. Na Terra, os radiotelescópios rastreiam estes pulsos não apenas para aprender sobre os próprios pulsares, mas também para usá-los como ferramentas para estudar a estrutura e o comportamento do universo mais amplo.

Se algo invisível – quase um “fantasma cósmico” – distorce o espaço-tempo entre um pulsar e a Terra, o tempo dos seus pulsos muda ligeiramente. Estas mudanças não são aleatórias; vários pulsares em certas partes do céu podem apresentar variações correspondentes, como se uma onda lenta e invisível estivesse passando pelo espaço.

“Em 2023, várias colaborações de conjuntos de temporização de pulsares – NANOGrav nos EUA e equipes europeias – anunciaram fortes evidências de ondas gravitacionais nanohertz”, observa Asada. Nanohertz significa períodos de onda de meses a anos, com comprimentos de onda de vários anos-luz. Para sondar tais escalas, contamos com pulsares distantes e estáveis, a centenas de milhares de anos-luz de distância. “O sinal era estatisticamente confiável, mas abaixo do limite de 5 sigma que os físicos de partículas normalmente exigem”, continua ele. “É uma ‘evidência forte’, mas ainda não é uma detecção confirmada, mas a comunidade de cosmologia e astrofísica acredita que estamos nos aproximando da primeira detecção de ondas gravitacionais nanohertz.”

Embora a evidência seja promissora, ainda fica aquém da confirmação absoluta. Asada observa que se dados futuros fortalecerem o resultado, o próximo passo será identificar a origem. “Existem duas principais fontes candidatas para ondas gravitacionais nanohertz”, explica ele. “Um é a inflação cósmica, que teria criado flutuações no espaço-tempo no universo primitivo, mais tarde ampliadas para escalas cósmicas. O outro são os binários de buracos negros supermassivos, que se formam quando as galáxias se fundem. Ambos os cenários poderiam gerar ondas gravitacionais nanohertz.”

Distinguir entre estas possibilidades tem sido difícil porque os padrões de correlação observados nos dados dos pulsares – a forma como as diferenças de tempo entre os pulsares se relacionam entre si – já foram considerados semelhantes em ambos os casos. “No nosso artigo, explorámos a situação em que um par próximo de buracos negros supermassivos produz um sinal particularmente forte”, diz Asada. “Se dois desses sistemas têm frequências muito semelhantes, as suas ondas podem interferir e criar um padrão de batida, como na acústica. Essa característica poderia, em princípio, permitir-nos distingui-los do fundo estocástico da inflação.”

Asada e Yamamoto aproveitam, portanto, um efeito acústico familiar: as batidas. Quando duas ondas têm quase – mas não exatamente – a mesma frequência, sua superposição produz fortalecimento e enfraquecimento periódicos. Aplicados às ondas gravitacionais, dois binários de buracos negros supermassivos com frequências semelhantes imprimiriam uma modulação característica no sinal de temporização do pulsar. O método consiste em procurar esta modulação – a “batida” – nos padrões de correlação do pulsar. Se estiver presente, isso sugere fortemente que o sinal não é um fundo difuso, mas surge de binários específicos e relativamente próximos.

Aguardamos agora uma confirmação mais forte da natureza do sinal do pulsar. “Penso que assim que for alcançada uma deteção confirmada no 5-sigma, talvez dentro de alguns anos, o próximo passo será perguntar: qual é a origem das ondas? Nesse ponto, o nosso método poderá ser útil para distinguir se provêm da inflação ou de binários de buracos negros supermassivos próximos,” conclui Asada.