As ondas gravitacionais podem nos ajudar a descobrir a velocidade com que a expansão do universo está acelerando

Uma nova maneira de medir a taxa de expansão cósmica poderia ajudar a resolver uma crise cosmológica de longa data. 

Representação artística de ondas gravitacionais causadas por uma fusão entre dois objetos cósmicos massivos. (Imagem: R. Hurt/Caltech-JPL)

Um desenvolvimento recente no campo da cosmologia apresentou um novo método para medir a taxa de expansão cósmica, potencialmente fornecendo uma resolução para um enigma cosmológico de longa data. Esta abordagem inovadora gira em torno da utilização de ondas gravitacionais, especificamente aquelas emitidas durante a colisão e posterior fusão de buracos negros distantes.

Esses eventos cataclísmicos fazem com que o próprio tecido do espaço-tempo oscile, semelhante ao toque de um sino, que pode ser aproveitado para medir a taxa na qual o universo está se expandindo.

Desde o final da década de 1990, os astrônomos estão cientes de que o universo não está apenas se expandindo, mas em um ritmo acelerado. Esse fenômeno, conhecido como aceleração tardia, foi atribuído a uma força enigmática apelidada de “energia escura”. Apesar da extensa pesquisa, a natureza da energia escura permanece envolta em mistério.

A medição da expansão cósmica, quantificada como a constante de Hubble, tem sido objeto de discórdia entre os pesquisadores. Os dois principais métodos usados para medir essa constante produziram consistentemente valores diferentes, uma discrepância que persistiu apesar da crescente precisão dessas técnicas ao longo dos anos.

O primeiro desses métodos, conhecido como método do “tempo tardio”, leva em consideração a velocidade das galáxias e sua distância de nós. O segundo, o método dos “primeiros tempos”, estuda a “luz fóssil” emitida logo após o Big Bang, conhecida como radiação cósmica de fundo.

As medições recentes atuais estimam uma taxa de expansão de aproximadamente 73 ± 1 quilômetros por segundo por megaparsec, enquanto as medições iniciais fornecem um valor de 67,5 ± 0,5 km/s por megaparsec. Essa incongruência levou os cientistas a buscar um método corroborativo para medir a constante de Hubble, que é onde o novo estudo entra em ação.

O estudo propõe o uso de lentes gravitacionais, fenômeno previsto por Albert Einstein e tipicamente associado à distorção da luz, para medir a constante de Hubble. A lente gravitacional é uma consequência da teoria da relatividade geral de Einstein, que postula que a massa distorce o espaço e o tempo, referidos coletivamente como espaço-tempo.

Ilustração mostrando ondas gravitacionais de um buraco negro sendo fotografadas por uma galáxia enquanto viajam para a Terra. (Imagem: P. Ajith/ICTS)

Esse efeito de distorção implica que, quando a luz de uma fonte de fundo passa por um objeto de massa significativa, como uma galáxia, seu caminho é desviado por essa “lente gravitacional”. Este efeito pode ampliar a fonte de fundo, uma propriedade explorada por observatórios como o Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA para observar as primeiras galáxias.

Embora as lentes gravitacionais sejam tradicionalmente associadas à luz, o estudo sugere que as ondas gravitacionais devem ser afetadas de forma semelhante. As ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo criadas pela aceleração de objetos de massa enorme, como dois buracos negros em espiral um em direção ao outro. Consequentemente, as ondas gravitacionais desses violentos eventos de fusão também devem exibir lentes gravitacionais, assim como a luz.

A luz pode seguir caminhos diferentes após um objeto de lente, com o grau de deflexão dependendo de sua proximidade com a lente gravitacional. Isso faz com que a luz chegue à Terra em momentos diferentes, o que pode fazer com que o mesmo objeto apareça em vários lugares em uma única imagem.

Da mesma forma, as ondas gravitacionais podem seguir caminhos variados além de uma lente gravitacional, levando a um atraso semelhante no tempo de chegada. Isso sugere que os detectores de ondas gravitacionais poderiam, em teoria, detectar ondas gravitacionais do mesmo evento em momentos diferentes.

Esta propriedade pode ser explorada para medir a constante de Hubble. A taxa de expansão do universo influencia a distância entre as fontes de ondas gravitacionais, como fusões de buracos negros, e a galáxia que está distorcendo o espaço-tempo e agindo como lente gravitacional, bem como a distância até a Terra.

A equipe postula que a quantidade de lentes de ondas gravitacionais deve depender da taxa de expansão do universo e, portanto, da constante de Hubble. Eles sugerem que uma constante de Hubble maior resultaria em uma fração maior de fusões de buracos negros com lentes e também em valores menores de atraso de tempo em comparação com o que seria visto no caso de uma constante de Hubble menor.

Uma das vantagens de usar ondas gravitacionais para medir a taxa de expansão do universo é que essas ondulações não são afetadas quando passam por enormes nuvens de gás e poeira, ao contrário da luz. Isso significa que a técnica pode permitir que os astrônomos “vejam” mais para trás na história do universo do que é permitido até mesmo pela luz com lentes fortes.

No entanto, os cientistas ainda precisam detectar um forte efeito de lente gravitacional nas ondas gravitacionais da fusão de buracos negros. A técnica sugerida pela equipe dependerá de um catálogo de milhares de eventos de ondas gravitacionais, que ainda não está disponível. As primeiras ondas gravitacionais foram detectadas em 2015, marcando o início de uma nova área da ciência que ainda está em seus estágios iniciais.

Apesar desses desafios, grandes desenvolvimentos estão em andamento. A sensibilidade dos detectores de ondas gravitacionais terrestres tem melhorado, com atualizações significativas recentes no Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO), Virgo e no Detector de Ondas Gravitacionais Kamioka (KAGRA). Além disso, o primeiro detector de ondas gravitacionais baseado no espaço, a Antena Espacial de Interferômetro a Laser da Europa (LISA), está programado para ser lançado em 2037.

Com esses instrumentos aprimorados, os cientistas poderiam começar a construir um banco de dados que permitisse a observação de lentes gravitacionais em ondas gravitacionais. Nesses dados, a equipe espera encontrar uma pequena fração de sinais repetidos dos mesmos eventos de fusão de buracos negros, assim como as mesmas fontes de luz distantes aparecem várias vezes nas imagens do JWST devido às lentes gravitacionais.

“Um dos principais objetivos científicos dos detectores futuros é fornecer um catálogo abrangente de eventos de ondas gravitacionais, e este será um uso completamente novo do notável conjunto de dados”, disse o coautor do estudo Tejaswi Venumadhav Nerella, astrofísico teórico da Universidade da Califórnia. Santa Bárbara, disse em um comunicado.

Em conclusão, esta abordagem inovadora para medir a constante de Hubble através da lente de ondas gravitacionais oferece um caminho promissor para resolver a atual discrepância na medição da taxa de expansão do universo. Embora a técnica ainda esteja em sua infância e dependa do desenvolvimento futuro da detecção de ondas gravitacionais, ela representa um passo significativo em nossa compreensão da expansão do universo e da misteriosa energia escura que o impulsiona.

Fonte: space.com