Os pulsares podem revelar ondas gravitacionais de frequência extremamente baixa movendo-se pelo universo. As observações relatadas em 2023 pela International Pulsar Timing Array Collaboration podem ser causadas por um fundo de ondas gravitacionais sobrepostas de numerosas fontes distantes, ou por um par de buracos negros supermassivos próximos orbitando um ao outro. Para determinar qual explicação é mais apropriada, Hideki Asada, físico teórico e professor da Universidade de Hirosaki, e Shun Yamamoto, pesquisador da Escola de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia da Universidade de Hirosaki, propuseram um novo método. O seu método explora o efeito de “frequência de batimento” que ocorre quando duas ondas gravitacionais têm quase a mesma frequência, procurando os seus efeitos subtis nos tempos de chegada dos sinais de rádio dos pulsares.
Suas descobertas foram publicadas recentemente em Jornal de Cosmologia e Física de Astropartículas (JCAP).
O céu noturno contém “relógios cósmicos” incrivelmente precisos: pulsares, que são estrelas de nêutrons densas que emitem pulsos de rádio em intervalos constantes, funcionando como um metrônomo perfeitamente cronometrado. Na Terra, os radiotelescópios rastreiam estes pulsos não só para compreender os próprios pulsares, mas também para os utilizar como ferramentas para estudar a estrutura e o comportamento do universo mais vasto.
Se algo invisível – quase um “fantasma cósmico” – estiver distorcendo o espaço-tempo entre o pulsar e a Terra, o tempo de seu pulso poderá mudar ligeiramente. Estas mudanças não são aleatórias; vários pulsares em certas partes do céu podem mostrar mudanças correspondentes, como se uma onda lenta e invisível estivesse se movendo pelo espaço.
“Em 2023, várias colaborações de matrizes de temporização de pulsares – a equipe NANOGrav nos Estados Unidos e a equipe europeia – anunciaram fortes evidências de ondas gravitacionais nanohertz”, observou Asada. Nanohertz significa ondas com períodos de meses a anos e comprimentos de onda de anos-luz. Para detectar tais escalas, contamos com pulsares distantes e estáveis, a centenas de milhares de anos-luz de distância. “O sinal é estatisticamente confiável, mas abaixo do limite de 5 sigma normalmente exigido pelos físicos de partículas”, continuou ele. “Esta 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 as evidências sejam promissoras, falta uma confirmação absoluta. Asada observou que se dados futuros confirmarem os resultados, o próximo passo será identificar a origem. “Existem duas principais fontes candidatas para ondas gravitacionais nanohertz”, explica ele. “Um é a expansão cósmica, que cria flutuações no espaço-tempo no universo primitivo e mais tarde se estende às escalas cósmicas. O outro são os binários de buracos negros supermassivos, que se formam quando as galáxias se fundem. Ambos os cenários podem produzir ondas gravitacionais nanohertz.”
Distinguir estas possibilidades tem sido difícil porque os padrões de correlação observados nos dados dos pulsares – a forma como as diferenças temporais entre os pulsares se correlacionam entre si – já foram considerados semelhantes nos dois casos. “No nosso artigo, exploramos a situação em que um par de buracos negros supermassivos próximos produz um sinal particularmente forte,” disse Asada. “Se dois desses sistemas tiverem frequências muito semelhantes, as suas ondas irão interferir e produzir padrões de batimento, tal como na acústica. Em princípio, esta característica poderia permitir-nos distingui-los do fundo aleatório da inflação.”
Então Asada e Yamamoto aproveitaram um efeito acústico familiar: as batidas. Quando duas ondas têm quase (mas não exatamente) a mesma frequência, sua superposição produz fortalecimento e enfraquecimento periódicos. Quando aplicados a ondas gravitacionais, dois binários de buracos negros supermassivos com frequências semelhantes deixarão uma assinatura de modulação característica no sinal de temporização do pulsar. O método consiste em procurar essa modulação – a “batida” – nos padrões relacionados ao pulsar. Se estivesse presente, seria uma forte indicação de que o sinal não era um fundo difuso, mas vinha de uma estrela binária específica e relativamente próxima.
Aguardamos agora uma confirmação mais forte da natureza do sinal do pulsar. “Penso que uma vez alcançada uma detecção confirmada em 5 sigma, talvez dentro de alguns anos, o próximo passo será perguntar: Qual é a origem das ondas? Nesse ponto, o nosso método pode ajudar a distinguir se provêm da inflação ou de binários de buracos negros supermassivos próximos,” concluiu Asada.
