Os astrónomos sabem há décadas que o Universo está em expansão. Para determinar o quão rápido está crescendo hoje, os cientistas calcularam um valor chamado constante de Hubble. É medido utilizando uma variedade de técnicas independentes e, uma vez que se baseiam nos mesmos princípios físicos subjacentes, devem produzir resultados correspondentes. Em vez disso, as medições baseadas em observações do universo primitivo entram em conflito com as medições do universo mais recente. Esta incompatibilidade é conhecida como tensão de Hubble e é um dos mais importantes problemas não resolvidos da cosmologia moderna.
Um grupo de astrofísicos e cosmólogos da Universidade de Illinois, da Escola de Engenharia Grainger de Urbana-Champaign e da Universidade de Chicago propuseram uma nova maneira de calcular a constante de Hubble usando ondas gravitacionais, que são pequenas ondulações no espaço-tempo. Seu método melhora a precisão das técnicas anteriores baseadas em ondas gravitacionais. À medida que os detectores se tornam mais sensíveis, esta abordagem poderá fornecer medições mais claras, potencialmente ajudando os cientistas a fechar a lacuna por trás da tensão do Hubble.
“Este resultado é muito importante – é importante obter uma medição independente da constante de Hubble para resolver a atual tensão de Hubble. Nosso método é uma forma inovadora de melhorar a precisão de inferir a constante de Hubble usando ondas gravitacionais”, disse Nicholas Younes, professor de física em Illinois e diretor fundador do Centro de Estudos Avançados do Universo de Illinois (ICASU) no campus Urbana.
“Não é todo dia que surgem ferramentas cosmológicas inteiramente novas”, disse o coautor do estudo Daniel Holz, professor de física, astronomia e astrofísica na Universidade de Chicago. “Mostrámos que, ao explorar o zumbido das ondas gravitacionais de fundo produzido pelas fusões de buracos negros em galáxias distantes, podemos aprender sobre a idade e a composição do Universo. Esta é uma nova e excitante direção, e estamos ansiosos por aplicar os nossos métodos a futuros conjuntos de dados para ajudar o conjunto de dados do Hubble e outras cosmologias restritas.”
A equipe de pesquisa também incluiu o estudante de pós-graduação em física de Illinois, Bryce Cousins, bolsista de pós-graduação da NSF e principal autor do estudo; Adrianen Schumacher, estudante de pós-graduação em física de Illinois, bolsista de pós-graduação da NSF; Ka-wai, bolsista de pós-doutorado em física de Illinois, Adrianen Schumacher, bolsista de pós-graduação da NSF; e o pesquisador de pós-doutorado em física de Illinois, Ka-wai Kraft. Os resultados foram aceitos para publicação em Cartas de revisão física e aparecerá na edição de 11 de março. O artigo completo está disponível no arXiv.
Como os cientistas medem a expansão do universo
Desde o início de 1900, os pesquisadores confiaram em duas estratégias principais para medir a expansão do universo. Um método usa observações eletromagnéticas, o outro usa ondas gravitacionais. Um método eletromagnético bem conhecido envolve “velas padrão”, como supernovas, que são poderosas explosões estelares. Como os astrónomos conhecem o verdadeiro brilho destes eventos, podem calcular a sua distância à Terra e a rapidez com que se afastam da Terra. 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 viajam pela água depois que uma pedra é jogada em um lago. Na Terra, a Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), uma rede global de mais de 2.000 membros, detecta estes sinais.
As ondas gravitacionais também podem ser usadas para estimar distâncias através do chamado método Kraken padrão. No entanto, determinar a rapidez com que a fonte está recuando devido à expansão do universo é mais difícil. Para medir esta velocidade, os astrónomos normalmente precisam de detectar a luz produzida pela fusão ou identificar as galáxias em fusão.
Idealmente, todas estas técnicas apontariam para a mesma constante de Hubble. Em vez disso, eles discordam. Se as tensões persistirem, poderá ser um sinal de que os cientistas precisam de rever a sua compreensão do Universo primitivo. As explicações propostas incluem interações entre a energia escura inicial, matéria escura e neutrinos, ou mudanças na energia escura ao longo do tempo.
Um novo método de fundo de ondas gravitacionais
Em seu trabalho mais recente, Younes, Cousins e seus colegas descrevem uma nova maneira de estimar a constante de Hubble, estudando colisões de buracos negros que os detectores atuais não conseguem capturar sozinhos. Juntos, esses incontáveis eventos fracos criam o que é conhecido como fundo de onda gravitacional.
“Como estamos observando colisões individuais de buracos negros, podemos determinar a taxa na qual essas colisões ocorrem no universo. Com base nessas taxas, esperamos que haja muito mais eventos que não podemos observar, o que é chamado de fundo de onda gravitacional”, explicou Cousins.
A equipe mostrou que se a constante de Hubble fosse menor, o volume total observável do universo também seria menor. Isto significa que as colisões de buracos negros são comprimidas num espaço mais apertado, aumentando a força global da onda gravitacional de fundo. Se este sinal de fundo não for detectado em um determinado nível, uma taxa de expansão mais lenta pode ser descartada.
Os pesquisadores chamam seu método de método de alarme estocástico, refletindo a natureza estocástica das colisões que formam o fundo das ondas gravitacionais.
A equipe testou seu método usando dados atuais do LVK. Mesmo sem detectar diretamente o fundo das ondas gravitacionais, eles foram capazes de descartar uma taxa de expansão particularmente lenta. Quando combinaram o método estocástico da Sirene com medições existentes de fusões de buracos negros únicos, alcançaram uma estimativa mais precisa da constante de Hubble. Os seus resultados situaram-se num intervalo associado à tensão de Hubble, mostrando o potencial do método para melhorar medições futuras.
À medida que os observatórios de ondas gravitacionais melhoram, esta estratégia deverá tornar-se mais poderosa. Os cientistas esperam que o fundo das ondas gravitacionais seja detectado em cerca de seis anos. Até então, restrições cada vez mais rigorosas aos sinais de fundo continuarão a estreitar o intervalo possível da constante de Hubble.
“À medida que continuamos a melhorar a sensibilidade, a restringir melhor o fundo das ondas gravitacionais e talvez até a detectá-las, isso deverá abrir caminho para futuras aplicações deste método”, disse Cousins . “Ao incluir esta informação, esperamos obter melhores resultados cosmológicos e chegar mais perto de resolver a tensão de Hubble.”
Apoio à pesquisa e recursos computacionais
Esta análise baseia-se no Illinois Campus Cluster, que é 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 (número de bolsa DGE 21-46756 e número de bolsa DGE-1746047) e bolsas da NSF PHY-2207650, PHY-2207650 e PHY2110507. Apoio adicional foi fornecido pela Simons Foundation através do Prêmio nº 896696 e pela NASA através do Grant nº 80NSSC22K0806. A bolsa de pós-doutorado Eric e Wendy Schmidt em Ciências da Inteligência Artificial e o Instituto Kaveri de Física Cósmica também fornecem apoio por meio de uma doação da Fundação Kaveri e de seu fundador, Fred Kaveri. Os resultados da pesquisa apresentados são dos investigadores e não necessariamente das agências financiadoras.
