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Novo método pode resolver a dificuldade de medir a expansão do Universo


Impressão de artista da explosão e do surto de ondas gravitacionais emitidas quando um par de estrelas de neutrões superdensas colidem. Novas observações com radiotelescópios mostram que estes eventos podem ser usados para medir o ritmo de expansão do Universo.
Crédito: NRAO/AUI/NSF

Usando radiotelescópios da NSF (National Science Foundation), os astrônomos demonstraram como uma combinação de observações de ondas gravitacionais e rádio, juntamente com uma modelagem teórica, pode transformar as fusões de pares de estrelas de neutrões numa "régua cósmica" capaz de medir a expansão do Universo e resolver uma questão pendente sobre o seu ritmo.

Os astrônomos usaram o VLBA (Very Long Baseline Array), o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) e o GBT (Robert C. Byrd Green Bank Telescope) para estudar as consequências da colisão de duas estrelas de neutrões que produziram ondas gravitacionais detetadas em 2017. Este evento fornece uma nova maneira de medir o ritmo de expansão do Universo, conhecido pelos cientistas como a Constante de Hubble. O ritmo de expansão do Universo pode ser usado para determinar o seu tamanho e idade, além de servir como uma ferramenta essencial para interpretar observações de objetos noutras partes do Universo.

Dois métodos principais de determinação da Constante de Hubble usam as características da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, radiação remanescente do Big Bang, ou um tipo específico de explosões de supernova, de nome supernovas do Tipo Ia, no Universo distante. No entanto, estes dois métodos fornecem resultados diferentes.

"A fusão de estrelas de neutrões dá-nos uma nova maneira de medir a constante de Hubble e, esperançosamente, de resolver o problema," disse Kunal Mooley, do NRAO (National Radio Astronomy Observatory) e do Caltech.

A técnica é semelhante à que usa explosões de supernova. Pensa-se que as explosões de supernova do Tipo Ia tenham todas um brilho intrínseco que pode ser calculado com base na velocidade com que crescem e diminuem de brilho. A medição deste brilho, a partir da Terra, indica-nos a distância da explosão de supernova. A medição do desvio Doppler da luz da galáxia hospedeira indica a velocidade a que a galáxia se está a afastar da Terra. A velocidade, dividida pela distância, produz a constante de Hubble. Para obter um valor preciso, têm que ser feitas muitas medições a distâncias diferentes.

Quando duas estrelas de neutrões colidem, produzem uma explosão e um surto de ondas gravitacionais. A forma do sinal da onda gravitacional diz aos cientistas quão "brilhante" foi esse surto de ondas gravitacionais. A medição do "brilho", ou intensidade das ondas gravitacionais recebidas na Terra, pode fornecer a distância.

"Este é um meio completamente independente de esclarecermos o verdadeiro valor da Constante de Hubble," disse Mooley.

No entanto, há uma reviravolta. A intensidade das ondas gravitacionais varia com a sua orientação em relação ao plano orbital das duas estrelas de neutrões. As ondas gravitacionais são mais fortes na direção perpendicular ao plano orbital e mais fracas se o plano orbital estiver de lado, visto da perspetiva da Terra.

"A fim de usar as ondas gravitacionais para medir a distância, precisávamos de conhecer essa orientação," explicou Adam Deller, da Universidade de Tecnologia de Swinburne, na Austrália.

Durante um período de meses, os astrônomos usaram os radiotelescópios para medir o movimento de um jato super-rápido de material ejetado da explosão. "Nós usamos estas medições, juntamente com simulações hidrodinâmicas detalhadas, para determinar o ângulo de orientação, permitindo assim a utilização das ondas gravitacionais para descobrir a distância," disse Ehud Nakar da Universidade de Tel Aviv.

Os cientistas dizem que esta única medição, de um evento a cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra, ainda não é suficiente para resolver a incerteza, mas a técnica agora pode ser aplicada a futuras fusões de estrelas de neutrões detetadas com ondas gravitacionais.

"Pensamos que mais 15 eventos deste tipo, que podem ser observados tanto com ondas gravitacionais quanto em grande com radiotelescópios, podem resolver o problema," disse Kenta Hotokezaka, da Universidade de Princeton. "Este seria um avanço importante na nossa compreensão de um dos aspetos mais importantes do Universo," acrescentou.

A equipe científica internacional liderada por Hotokezaka divulgou os seus resultados num artigo publicado na revista Nature Astronomy.


Observações rádio de um jato de material expelido no rescaldo da fusão de duas estrelas de neutrões foram essenciais na determinação da orientação do plano orbital das estrelas antes da fusão e, assim sendo, do "brilho" das ondas gravitacionais emitidas na direção da Terra. Esta determinação torna estes eventos numa nova e importante ferramenta para medir o ritmo de expansão do Universo.
Crédito: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

FONTE: ASTRONOMIA ONLINE

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