Na noite de quarta-feira, um consórcio internacional de colaborações de pesquisa revelou evidências convincentes da existência de um zumbido de ondas gravitacionais reverberando em todo o universo.
Os cientistas suspeitam fortemente que essas ondas gravitacionais são o eco coletivo de pares de buracos negros supermassivos – milhares deles, alguns com a massa de um bilhão de sóis, situados no coração de galáxias antigas a até 10 bilhões de anos-luz de distância – enquanto eles lentamente fundir e gerar ondulações no espaço-tempo.
“Gosto de pensar nisso como um coro ou uma orquestra”, disse Xavier Siemens, físico da Oregon State University que faz parte da colaboração do North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, ou NANOGrav, que liderou o esforço. Cada par de buracos negros supermassivos está gerando uma nota diferente, disse o Dr. Siemens, “e o que estamos recebendo é a soma de todos esses sinais de uma só vez”.
As descobertas foram altamente esperadas, chegando mais de 15 anos depois que o NANOGrav começou a coletar dados. Os cientistas disseram que, até agora, os resultados eram consistentes com a teoria da relatividade geral de Albert Einstein, que descreve como a matéria e a energia distorcem o espaço-tempo para criar o que chamamos de gravidade. À medida que mais dados são coletados, esse zumbido cósmico pode ajudar os pesquisadores a entender como o universo alcançou sua estrutura atual e talvez revelar tipos exóticos de matéria que podem ter existido logo após o Big Bang, 13,7 bilhões de anos atrás.
“O fundo da onda gravitacional sempre seria a coisa mais óbvia e mais barulhenta a ser encontrada”, disse Chiara Mingarelli, astrofísica da Universidade de Yale e membro do NANOGrav. “Este é realmente apenas o começo de uma maneira totalmente nova de observar o universo.”
Ondas gravitacionais são criadas por qualquer objeto que gira, como restos de corpos estelares em rotação, orbitando buracos negros ou até mesmo duas pessoas “fazendo um do-si-do”, disse o Dr. Mingarelli. Mas, ao contrário de outros tipos de ondas, essas ondulações esticam e espremem o próprio tecido do espaço-tempo, distorcendo as distâncias entre quaisquer objetos celestes pelos quais passam.
“Parece muito ficção científica”, disse Mingarelli. “Mas é de verdade.”
As ondas gravitacionais foram detectado pela primeira vez em 2016 como chiados audíveis pela colaboração do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ou LIGO; a descoberta solidificou a teoria da relatividade geral de Einstein como um modelo preciso do universo e conquistou os fundadores do projeto Prêmio Nobel de Física em 2017. Mas os sinais do LIGO estavam principalmente na faixa de frequência de algumas centenas de hertz e foram criados por pares individuais de buracos negros ou estrelas de nêutrons que tinham de 10 a 100 vezes a massa do nosso sol.
Em contraste, os pesquisadores envolvidos neste trabalho estavam procurando por um zumbido coletivo em frequências muito mais baixas – um bilionésimo de um hertz, muito abaixo do alcance audível – emanando de todos os lugares ao mesmo tempo.
Nas frequências mais baixas, esse zumbido é tão alto “que pode vir de centenas de milhares, ou possivelmente um milhão, de sinais sobrepostos da história da fusão cósmica de binários de buracos negros supermassivos”, disse Mingarelli.
O sinal foi descoberto estudando o comportamento de estrelas que giram rapidamente, chamadas pulsares, usando um método que em 1993 rendeu a dois cientistas o Prêmio Nobel de Física para medir indiretamente os efeitos das ondas gravitacionais.
A equipe do NANOGrav publicou simultaneamente quatro estudos no The Astrophysical Journal Letters, bem como dois artigos adicionais no servidor de pré-impressão arXiv.org, detalhando a coleta e análise dos dados e as diferentes interpretações do resultado.
Se o sinal surgir de pares orbitais de buracos negros supermassivos, estudar o fundo das ondas gravitacionais lançará luz sobre a história evolutiva desses sistemas e das galáxias que os cercam. Mas o fundo da onda gravitacional também pode vir de outra coisa, como rachaduras hipotéticas no espaço-tempo conhecidas como cordas cósmicas.
Ou pode ser uma relíquia do Big Bang, semelhante ao fundo cósmico de micro-ondas, que levou a descobertas fundamentais sobre a estrutura do universo até 400.000 anos após seu início. A onda gravitacional de fundo seria uma sonda primordial ainda melhor, disse o Dr. Mingarelli, porque teria sido emitida quase instantaneamente.
Para detectar o fundo das ondas gravitacionais, os pesquisadores analisaram a natureza semelhante a um farol dos pulsares. Esses objetos agem como relógios cósmicos, emitindo feixes de ondas de rádio que podem ser medidos periodicamente na Terra. A teoria da relatividade geral de Einstein prevê que, à medida que as ondas gravitacionais passam pelos pulsares, elas devem expandir e diminuir a distância entre esses objetos e a Terra, alterando o tempo que leva para os sinais de rádio chegarem aos observadores. E se o fundo da onda gravitacional está de fato em toda parte, os pulsares em todo o universo devem ser afetados de maneira correlacionada.
Em vez de construir um instrumento dedicado, a equipe NANOGrav aproveitou os radiotelescópios existentes em todo o mundo: o Very Large Array no Novo México, o Green Bank Telescope na Virgínia Ocidental e o Observatório de Arecibo em Porto Rico (antes de seu fatídico colapso três anos atrás).
Em 2020, após mais de 12 anos de coleta de dados, a equipe NANOGrav resultados liberados do monitoramento do tempo de 45 pulsares. Mesmo assim, disse o Dr. Siemens, os pesquisadores viram indícios tentadores de um fundo de onda gravitacional, mas eles precisavam rastrear mais pulsares por períodos de tempo mais longos para confirmar que eles estavam de fato correlacionados e reivindicar uma descoberta. Assim, a equipe do NANOGrav abordou os colegas por meio do Matriz de temporização pulsar internacional — uma organização guarda-chuva que inclui colaborações com base na Índia, Europa, China e Austrália — e coordenou um esforço para descobrir o fundo da onda gravitacional juntos.
Avanço rápido para quarta-feira: cada colaboração agora está publicando resultados de dados coletados independentemente, todos os quais suportam a existência de um fundo de onda gravitacional. A equipe do NANOGrav possui o maior conjunto de dados, com 15 anos de medições de 67 pulsares, cada um monitorado por pelo menos três anos.
As descobertas carregam um nível de confiança na faixa de 3,5 a 4 sigma, um pouco abaixo do padrão 5 sigma geralmente esperado pelos físicos para reivindicar uma descoberta definitiva. Isso significa que as chances de ver um resultado como esse aleatoriamente são de cerca de 1 em 1.000 anos, disse o Dr. Mingarelli. “Isso é bom o suficiente para mim, mas outras pessoas querem uma vez em um milhão de anos”, disse ela. “Vamos chegar lá eventualmente.”
Marcelle Soares-Santos, astrofísica da Universidade de Michigan que não participou do trabalho, reconheceu que, embora essa fosse uma evidência inicial, os resultados eram atraentes. “Isso é algo que a comunidade esperava há um bom tempo”, disse ela, acrescentando que medições independentes de outras colaborações de cronometragem de pulsar fortaleceram as descobertas.
Ainda assim, disse o Dr. Soares-Santos, é muito cedo para dizer o impacto que uma onda gravitacional de fundo pode ter em pesquisas futuras. Se o sinal realmente fosse da lenta espiral interna de buracos negros supermassivos, como muitos colaboradores do NANOGrav acreditam, aumentaria o que os cientistas entendem sobre a forma como as primeiras galáxias se fundiram, formando sistemas cada vez maiores de estrelas e poeira que eventualmente se estabeleceram no complexo. estruturas observadas hoje.
Mas se as ondulações se originaram com o Big Bang, elas podem fornecer informações sobre a expansão do cosmos ou a natureza da matéria escura – a cola invisível que os cientistas acham que mantém o universo unido – e talvez até revelar novas partículas ou forças que já existiram. (Especialistas notaram que o fundo da onda gravitacional também pode se originar de múltiplas fontes, caso em que o desafio seria desvendar o quanto vem de onde.)
A equipe NANOGrav já está trabalhando na análise de todos os dados de colaborações de ondas gravitacionais em todo o mundo, igualando cerca de 25 anos de medições de 115 pulsares. Esses resultados serão divulgados em cerca de um ano, disse o Dr. Siemens, acrescentando que espera que eles ultrapassem o nível de descoberta 5 sigma.
Mas mais alguns anos podem ser necessários para confirmar a origem da onda gravitacional de fundo. Os pesquisadores já começaram a usar seus dados para juntar mapas do universo e procurar regiões próximas intensas de sinais de ondas gravitacionais indicativos de um binário individual de buraco negro supermassivo. É aí que começa a diversão, disse o Dr. Mingarelli, que está ansioso para analisar esses mapas e procurar fenômenos ainda mais exóticos, como jatos galácticos, cordas cósmicas ou buracos de minhoca.
“Isso pode levar a algo realmente inovador”, disse Soares-Santos, comparando-o à descoberta da radiação cósmica de fundo na década de 1960, que desde então transformou o conhecimento dos físicos sobre o início do universo. “Ainda não sabemos que impacto terá, mas com certeza será um novo capítulo no livro das ondas gravitacionais. E parece que estamos vendo este livro ser escrito.”
Dennis Overbye relatórios contribuídos.
