Podem as ondas gravitacionais revelar quão depressa o Universo está se exapandindo?

Visualização de uma simulação feita por um supercomputador da fusão de dois buracos negros que libertam ondas gravitacionais.
Crédito: NASA/C. Henze

Desde que nasceu há 13,8 bilhões de anos, que o Universo tem vindo a expandir-se, arrastando centenas de milhares de milhões de galáxias e estrelas, como passas numa massa que cresce rapidamente.

Os astrônomos têm apontado telescópios para certas estrelas e outras fontes cósmicas a fim de medir a sua distância à Terra e quão rapidamente se afastam de nós - dois parâmetros essenciais para estimar a constante de Hubble, uma unidade de medida que descreve o ritmo de expansão do Universo.

Mas, até à data, os esforços mais precisos basearam-se em valores muito diferentes da constante de Hubble, não oferecendo uma resolução definitiva para exatamente quão depressa o Universo cresce. Esta informação, pensam os cientistas, pode lançar luz sobre as origens do Universo, bem como sobre o seu destino, se o cosmos se expandirá indefinidamente ou se acabará num colapso.

Agora, cientistas do MIT e da Universidade de Harvard propuseram uma maneira mais precisa e independente de medir a constante de Hubble, usando ondas gravitacionais emitidas por um sistema relativamente raro: um sistema binário altamente energético composto por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons. À medida que estes objetos se aproximam um do outro, devem produzir ondas gravitacionais e um surto de luz quando finalmente colidirem.

Num artigo publicado na revista Physical Review Letters, os investigadores relatam que o flash de luz daria aos cientistas uma estimativa da velocidade do sistema, ou quão depressa se afasta da Terra. As ondas gravitacionais emitidas, se detetadas na Terra, deveriam fornecer uma medição precisa e independente da distância do sistema. Embora os sistemas constituídos por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons sejam incrivelmente raros, os investigadores calculam que a detecção de apenas alguns destes deverá render o valor mais preciso, até agora, da constante de Hubble e do ritmo de expansão do Universo.

"Os binários constituídos por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons são sistemas muito complicados, dos quais sabemos muito pouco," comenta Salvatore Vitale, professor assistente de física no MIT e autor principal do artigo científico. "Se detectarmos um, o prêmio é que podem potencialmente dar uma contribuição dramática para a nossa compreensão do Universo."

O coautor de Vitale é Hsin-Yu Chen de Harvard.

Constantes concorrentes

Recentemente foram feitas duas medições independentes da constante de Hubble, uma usando o Telescópio Espacial Hubble da NASA e outra usando o satélite Planck da ESA. A medição do Telescópio Espacial Hubble é baseada em observações de um tipo de estrela conhecida como variável Cefeida, bem como observações de supernovas. Ambos os objetos são considerados "velas padrão", devido ao padrão previsível de brilho que os cientistas podem usar para estimar a distância e a velocidade da estrela.

O outro tipo de estimativa é baseado em observações das flutuações no fundo cósmico de micro-ondas - a radiação eletromagnética deixada para trás no rescaldo do Big Bang, quando o Universo estava ainda na sua infância. Embora as observações por ambos os observatórios espaciais sejam extremamente precisas, as suas estimativas da constante de Hubble discordam significativamente.

"É aí que o LIGO entra em jogo," diz Vitale.

O LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory) deteta ondas gravitacionais - ondulações no espaço-tempo produzidas por fenômenos astrofísicos cataclísmicos.

"As ondas gravitacionais fornecem uma maneira muito direta e fácil de medir as distâncias das suas fontes," explica Vitale. "O que detectamos com o LIGO é uma impressão direta da distância até à fonte, sem nenhuma análise extra."

Em 2017, os cientistas tiveram a sua primeira oportunidade para estimar a constante de Hubble a partir de uma fonte de ondas gravitacionais, quando o LIGO e o seu homólogo italiano Virgo detetaram pela primeira vez a colisão de um par de estrelas de nêutrons. A colisão libertou uma quantidade enorme de ondas gravitacionais, que os investigadores usaram para determinar a distância do sistema à Terra. A fusão também libertou um flash de luz, que os astrônomos observaram com telescópios terrestres e espaciais a fim de determinar a velocidade do sistema.

Com ambas as medições, os cientistas calcularam um novo valor para a constante de Hubble. No entanto, a estimativa veio com uma incerteza relativamente grande de 14%, muito maior que os valores calculados usando o Telescópio Espacial Hubble e o Planck.

Vitale diz que grande parte da incerteza deriva do facto de que pode ser difícil interpretar a distância de um binário de estrelas de neutrões a partir da Terra usando as ondas gravitacionais que este sistema em particular liberta.

"Nós medimos a distância observando quão 'barulhenta' é a onda gravitacional, ou seja, quão clara é nos nossos dados," explica Vitale. "Se é muito clara, podemos ver quão barulhenta é e isso dá-nos a distância. Mas isso é apenas parcialmente verdade para os binários de estrelas de nêutrons."

Isto porque estes sistemas, que produzem um disco giratório de energia à medida que as duas estrelas de nêutrons espiralam em direção uma da outra, emitem ondas gravitacionais de maneira desigual. A maioria das ondas gravitacionais são disparadas para fora do centro do disco, enquanto uma fração muito menor escapa pelos limites. Se os cientistas detetarem um sinal de uma onda gravitacional "barulhenta", isso poderá indicar um de dois cenários: as ondas detectadas são provenientes da orla de um sistema muito próximo da Terra, ou as ondas são emanadas do centro de um sistema muito mais distante.

"Com os binários de estrelas de nêutrons, é muito difícil distinguir entre essas duas situações," realça Vitale.

Uma nova onda

Em 2014, antes do LIGO fazer a primeira detecção de ondas gravitacionais, Vitale e colegas observaram que um sistema binário composto por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons poderia fornecer uma medição mais precisa da distância, em comparação com binários de estrelas de neutrões. A equipa estava a investigar a precisão com que se pode medir a rotação de um buraco negro, já que os objetos giram sob os seus próprios eixos, de forma semelhante à Terra, mas muito mais depressa.

Os cientistas simularam uma variedade de sistemas com buracos negros, incluindo binários de buracos negros e estrelas de nêutrons e binários de estrelas de nêutrons. Como subproduto deste esforço, a equipe notou que eram capazes de determinar com maior precisão a distância dos binários compostos por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons, em comparação com os binários compostos por duas estrelas de nêutrons. Vitale diz que isso deve-se à rotação do buraco negro em torno da estrela de nêutrons, o que pode ajudar os cientistas a melhor identificar o local, no sistema, onde são emanadas as ondas gravitacionais.

"Graças a esta melhor medição de distância, pensei que os binários constituídos por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons podiam ser uma sonda competitiva para medir a constante de Hubble," explica Vitale. "Desde então, muito coisa aconteceu com o LIGO e com a descoberta de ondas gravitacionais, pelo que tudo isso foi colocado em segundo plano."

Vitale voltou recentemente à sua observação original e, neste novo artigo, propôs responder a uma questão teórica:

"O facto de que todos os sistemas binários constituídos por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons me dão uma medição melhor da distância vai compensar o fato destes, potencialmente, existirem em números muito menores no Universo do que binários de estrelas de nêutrons?"

Para responder a esta pergunta, a equipe realizou simulações para prever a ocorrência de ambos os tipos de sistemas binários no Universo, bem como a precisão das suas medições de distância. A partir dos seus cálculos, concluíram que mesmo que os sistemas binários de estrelas de nêutrons superem os binários compostos por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons por um fator de 50, este último tipo produziria uma constante de Hubble similar, em termos de precisão, em comparação com o primeiro.

De forma mais otimista, se os binários constituídos por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons fossem ligeiramente mais comuns, mas ainda mais raros do que os binários de estrelas de nêutrons, o primeiro produziria uma constante de Hubble quatro vezes mais precisa.

"Até agora, os cientistas concentraram-se nas estrelas de nêutrons binárias como forma de medir a constante de Hubble com ondas gravitacionais," diz Vitale. "Nós mostramos que há outro tipo de fonte de ondas gravitacionais que até agora não foi tão explorada: os buracos negros e as estrelas de nêutrons que espiralam juntos. O LIGO começará a recolher dados novamente em janeiro de 2019, e será muito mais sensível, o que significa que podemos ver objetos mais distantes. Assim sendo, o LIGO deverá ver pelo menos um binário constituído por um buraco negro e por uma estrela de nêutrons, talvez no máximo 25, o que ajudará a resolver a tensão existente na medição da constante de Hubble, esperançosamente nos próximos anos."

FONTE: ASTRONOMIA ONLINE