Pequenas ondulações, ou ondas gravitacionais, no espaço e no tempo podem ser usadas para medir a rapidez com que o Universo se está a expandir, dizem os cientistas. Isso poderia resolver um dos maiores mistérios da física atual, que é o cálculo da diferença nessa taxa, conhecida como “tensão de Hubble”.
Os cientistas sabem desde 1998 que não só universo expansão, e o ritmo de expansão está acelerando. “energia escura“Introduzido como um nome substituto para a força misteriosa que impulsiona esta aceleração, mas mesmo depois de duas décadas e meia de investigação, a taxa de expansão global do Universo continua a ser uma questão gritante.
“Este resultado é muito importante, e obter uma medição independente da constante de Hubble é importante para resolver a atual tensão do Hubble,” disse o líder da equipa Nicolas Yunes, diretor fundador do Centro de Estudos Avançados do Universo de Illinois (ICASU) em Urbana. disse em um comunicado. “Nosso método é uma forma inovadora de melhorar a precisão das inferências constantes de Hubble usando ondas gravitacionais.”
Por que ondas gravitacionais?
A história das ondas gravitacionais começa em 1915 Albert EinsteinA teoria da gravidade é chamada relatividade geral. A relatividade geral afirma que objetos com massa causam distorção na estrutura do espaço-tempo (a unidade quadridimensional do espaço e do tempo). A gravidade que experimentamos é causada por essa distorção. Quanto maior a massa, maior a curvatura e mais forte o efeito gravitacional.
No entanto, a relatividade geral também prevê que quando um objeto acelera no espaço-tempo, cria ondulações que se irradiam para fora. velocidade da luz. Estas são chamadas de ondas gravitacionais. A humanidade detectou ondas gravitacionais pela primeira vez em 2015, graças ao Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (Guangda) Ondas detectadas nos EUA vieram da colisão e fusão de dois objetos massivos buraco negro Está a cerca de 1,3 bilhão de anos-luz de distância de nós. Desde então, o LIGO, juntamente com o detector Virgo e o Detector de Ondas Gravitacionais Kamiokande (KAGRA) na Itália e no Japão, respectivamente, detectaram ondas gravitacionais em pares de buracos negros, pares de estrelas de nêutrons ultradensas e até fusões híbridas de buracos negros e estrelas de nêutrons.
Ondas gravitacionais já foram propostas como forma de medir a constante de Hubble, mas o problema é que não eram muito precisas. A equipe acredita que seu novo método tem essa precisão e diz que só irá melhorar à medida que nossos detectores de ondas gravitacionais se tornarem mais sensíveis.
“Não é todos os dias que se cria uma ferramenta cosmológica totalmente nova. Mostramos que, ao explorar o zumbido de fundo das ondas gravitacionais produzidas pelas fusões de buracos negros em galáxias distantes, podemos aprender sobre a idade e a composição do Universo,” disse Daniel Holz, da Universidade de Chicago. “Esta é uma direção nova e excitante, e estamos ansiosos para aplicar o nosso método a futuros conjuntos de dados para ajudar a restringir a constante de Hubble, bem como outras quantidades cosmológicas importantes.”
Para usar ondas gravitacionais para medir a constante de Hubble, os cientistas precisam medir a rapidez com que o evento que emite a onda se afasta de nós, e não apenas estimar a distância até esse evento. Isto exige que os astrônomos rastreiem esses eventos e até mesmo a luz, ou mais precisamente a radiação eletromagnética, nas galáxias que os hospedam.
Comparando essas duas formas de astronomia, unificadas na chamada “astronomia multimensageira”, os cientistas podem chegar a dois valores para a constante de Hubble: um envolvendo apenas radiação eletromagnética e outro envolvendo radiação eletromagnética e ondas gravitacionais. Se estas técnicas fossem inconsistentes, a tensão Hubble persistiria e os cientistas saberiam que existiam algumas diferenças atualmente inexplicáveis entre o universo primitivo e o universo moderno.
A equipe propõe o uso de ondas gravitacionais de fundo em uma técnica que eles chamam de método estocástico de Kraken. Isto pode ser considerado como o zumbido de fundo cósmico de uma série de eventos de colisão mais distantes que sustentam a vasta orquestra de colisões de fusões relativamente recentes de buracos negros massivos.
“Como estamos observando colisões de buracos negros únicos, podemos determinar a taxa com que essas colisões ocorrem no universo”, disse Cousins. “Com base nessas taxas, esperamos que haja mais eventos que não podemos observar, o que é chamado de fundo de onda gravitacional”.
Cousins e colegas raciocinaram que quanto menor o valor da constante de Hubble, menor o volume de espaço disponível para colisões, resultando em uma maior densidade de colisão e, por sua vez, em um sinal de fundo de onda gravitacional mais forte. Portanto, a falha na detecção deste cenário implica uma constante de Hubble alta.
Embora o consórcio LIGO-Virgo-KAGRA ainda não seja sensível o suficiente para detectar o fundo das ondas gravitacionais, a equipe conseguiu aplicar o método estocástico da Sirene aos dados coletados por esses detectores. Eles descobriram que isso significava um valor mais alto para a constante de Hubble, o que significava uma taxa de expansão mais rápida para o universo.
Esta é apenas a prova de conceito da equipe; à medida que a sensibilidade melhorar e os cientistas puderem reforçar as restrições à constante de Hubble, a abordagem estocástica de Kraken poderá tornar-se verdadeiramente útil nos próximos seis anos. Após este período, os detectores de ondas gravitacionais devem ser sensíveis o suficiente para “ouvir” grande parte do fundo das ondas gravitacionais, e o método pode ter se desenvolvido o suficiente para fornecer uma medição independente da constante de Hubble, potencialmente encerrando a tensão 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.”
A pesquisa da equipe aparece na edição de 11 de março da revista Cartas de revisão física.
