Como 'a força forte' influencia o fundo das ondas gravitacionais

Falando gravitacionalmente, o universo é um lugar barulhento. Uma mistura de ondas gravitacionais de fontes desconhecidas flui de forma imprevisível pelo espaço, inclusive possivelmente do universo primitivo. 

Crédito: Unsplash/CC0 Domínio Público

Os cientistas têm procurado sinais destas primeiras ondas gravitacionais cosmológicas, e uma equipe de físicos mostrou agora que tais ondas deveriam ter uma assinatura distinta devido ao comportamento dos quarks e glúons à medida que o universo esfria. Tal descoberta teria um impacto decisivo sobre quais modelos melhor descrevem o universo quase imediatamente após o Big Bang. O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters.

Os cientistas encontraram pela primeira vez evidências diretas de ondas gravitacionais em 2015 nos interferômetros de ondas gravitacionais LIGO nos EUA. Estas são ondas singulares (embora de pequena amplitude) de uma fonte específica, como a fusão de dois buracos negros, que passam pela Terra. Tais ondas fazem com que os braços perpendiculares de 4 km dos interferômetros mudem de comprimento em quantidades minúsculas (mas diferentes), a diferença detectada por mudanças no padrão de interferência resultante à medida que os feixes de laser viajam para frente e para trás nos braços do detector.

Mas também existem ondas gravitacionais menores, tantas que parecem ruído. Os cientistas têm procurado diligentemente em meio a esse ruído o fundo da onda gravitacional estocástica (estocástico significa determinado aleatoriamente, ou seja, imprevisível). Mas estas ondas gravitacionais mais pequenas são mais difíceis de detectar, e os cientistas recorreram a conjuntos de pulsares de milissegundos, nos quais a distância da Terra a um pulsar distante é o comprimento efectivo do braço do interferómetro.

Pulsares – estrelas de nêutrons em rotação – emitem feixes de radiação, alguns em uma direção tal que o feixe passa pela Terra, como o feixe de um farol em rotação. Os pulsares têm um período de revolução extremamente estável, e qualquer medição do tempo do relógio seria sutilmente alterada pela passagem de uma miríade de ondas gravitacionais menores que têm comprimentos de onda de anos-luz.

No ano passado, a colaboração NANOgrav publicou evidências de que estas ondas gravitacionais estocásticas de baixa frequência existem no fundo do espaço-tempo, tal como outros grupos. Mas qual é a sua origem? Será que o pano de fundo se origina de fenômenos astrofísicos, como centenas de milhares de buracos negros supermassivos em fusão, supernovas e similares?

Talvez o fundo tenha se originado no universo primitivo e suas ondas tenham se propagado desde então, semelhante à radiação cósmica de fundo em micro-ondas que preenche todo o espaço devido ao desacoplamento dos fótons dos elétrons 380.000 anos após o Big Bang. Ou alguma outra coisa?

Distinguir os cenários enfrenta desafios. A compreensão atual da física dos buracos negros supermassivos ainda não está suficientemente desenvolvida para tirar conclusões firmes. E o espectro contínuo das ondas gravitacionais de fundo depende dos detalhes microscópicos de sua fonte e requer simulações numéricas detalhadas. 

Este novo trabalho fornece uma maneira de distinguir as ondas primitivas do universo daquelas de outras fontes. A física do modelo padrão – as teorias bem-sucedidas das interações fortes, fracas e eletromagnéticas – deveria deixar uma pegada distinta no fundo medido, que é independente do modelo exato do universo inicial escolhido.

À medida que o universo esfriou desde o momento inicial do Big Bang, ele passou por várias fases. Uma delas mencionada acima é a dissociação dos fótons após 380 mil anos, quando o universo ficou frio o suficiente para que os elétrons pudessem se ligar aos prótons e formar átomos de hidrogênio, deixando os fótons subitamente à deriva.

Mas houve uma transição anterior, ou cruzamento, quando quarks e glúons livres, que formaram um plasma de quark-glúon, coalesceram em partículas individuais de dois ou mais quarks unidos como resultado da força forte, com glúons presos com eles.

Espera-se que este “cruzamento da cromodinâmica quântica (QCD)” tenha acontecido quando o universo tinha uma temperatura de cerca de um trilhão de Kelvin, cerca de 10-5 segundos após o Big Bang. Isso corresponde a uma energia de cerca de 100 MeV. (QCD é a teoria da força forte.)

Acontece que as frequências de nanohertz que estão sendo sondadas pelas matrizes de temporização de pulsares são da mesma ordem que as ondas gravitacionais estocásticas de baixa frequência observáveis no fundo. O cruzamento não cria as ondas, mas a queda repentina no número de partículas livres altera a equação que governa o estado do universo. Fontes de ondas gravitacionais antes do cruzamento QCD produzem um sinal de baixa frequência que é afetado por esta mudança na equação de estado. Os pesquisadores dizem que o sinal agora pode ser pesquisado nos dados do conjunto de temporização do pulsar.

“Pensamos que uma caracterização precisa do fundo das ondas gravitacionais para diferentes origens é um passo crucial para avançar nesta exploração”, disse Davide Racco, co-autor do artigo do Instituto de Física Teórica da Universidade de Stanford.

“Destacamos uma característica genérica e inevitável para uma ampla gama de fenômenos primordiais que provamos ser um ingrediente útil para discriminar entre diferentes fontes de fundo.”

Tal resultado seria um impacto surpreendente das complexidades da física quântica no universo que vemos atualmente, demonstrando mais uma vez como a física de partículas e a cosmologia se encontram no mesmo terreno.

Fonte: Phys.org