Ondas gravitacionais de nanohertz são frias, mas não super frias

Um novo estudo esclarece a origem das ondulações espaço-temporais de baixa frequência

Esta ilustração mostra um estágio na fusão de duas galáxias que formam uma única galáxia com dois buracos negros supermassivos localizados centralmente, cercados por discos de gás quente. Os buracos negros orbitam um ao outro por centenas de milhões de anos antes de se fundirem para formar um único buraco negro supermassivo que envia ondas gravitacionais intensas.  Crédito:  NASA/CXC/A.Hobart, domínio público, via Wikimedia Commons 

Semelhante às ondulações produzidas pela queda de uma pedra na água, a colisão de grandes objetos celestes, como buracos negros, gera ondas gravitacionais – ondulações no tecido do espaço-tempo.

Um tipo específico, ondas gravitacionais nanohertz, foi identificado em 2023. Essas ondas têm uma frequência tão baixa que os cientistas levaram mais de 10 anos para ver um ciclo completo. No entanto, como essas ondas são geradas ainda não está claro.

Alguns cientistas pensaram que eles vieram de uma transição de fase de primeira ordem – uma mudança na estrutura do universo conforme ele se expande e esfria. No entanto, um novo estudo publicado na Physical Review Letters desafia essa teoria.

O Dr. Andrew Fowlie , professor assistente na Universidade Xi'an Jiaotong-Liverpool, na China, e um dos autores do artigo, diz: “Teóricos e experimentalistas especularam que ondas gravitacionais de nanohertz se originaram de uma transição conhecida que ocorreu logo após o big bang – uma mudança que gerou as massas de todas as partículas fundamentais conhecidas.

“No entanto, nosso trabalho revela sérios problemas com essa explicação atraente de sua origem.”

Transições incompletas

“Descobrimos que, para criar ondas com frequências tão pequenas, a transição teria que ser superfria”, diz o Dr. Fowlie.

Podemos entender transições super-resfriadas pensando em gelo e água. Todos sabemos que a água muda para gelo quando a temperatura esfria abaixo do ponto de congelamento. A água pode, no entanto, ficar presa na fase líquida, mesmo abaixo do ponto de congelamento, retardando a transição para gelo.

No entanto, o Dr. Fowlie explica por que sua equipe de pesquisa acredita que ondas gravitacionais de nanohertz não são produzidas por transições de fase de primeira ordem super-resfriadas. “Essas transições lentas teriam dificuldade para terminar, pois a taxa de transição é mais lenta do que a taxa de expansão cósmica do universo.

"E se a transição acelerasse no final? Calculamos que, mesmo que isso ajudasse a transição a terminar, mudaria a frequência das ondas para longe de nanohertz. “Portanto, embora as ondas gravitacionais de nanohertz sejam frias, elas provavelmente não são superfrias em sua origem.

“Se essas ondas gravitacionais vêm de transições de fase de primeira ordem, agora sabemos que deve haver alguma física nova e muito mais rica acontecendo – uma física que ainda não conhecemos.”

Mistérios permanecem

O Dr. Fowlie e os coautores dizem que seus resultados mostram que é necessário mais cuidado ao estudar transições superfrias.

“Como essas são transições necessariamente lentas, as simplificações usuais de se as transições são concluídas ou não não funcionarão.

“Há muitas sutilezas nas conexões entre a escala de energia das transições e a frequência das ondas, então precisamos de técnicas mais cuidadosas e sofisticadas ao considerar ondas gravitacionais e transições superfrias.”

“Compreender esse campo nos ajudará a entender as questões mais fundamentais sobre a origem do universo.

“Ele também tem links para aplicações mais próximas, como entender como a água flui através de uma rocha, as melhores maneiras de filtrar café e como os incêndios florestais se espalham.”

O interesse do Dr. Fowlie em ondas gravitacionais surgiu quando elas foram detectadas pela primeira vez em 2015; ele estava trabalhando na Universidade Monash, na Austrália, onde rapidamente desenvolveram suas investigações usando essa nova descoberta.

“Tive a sorte de estar no lugar certo quando ainda era relativamente cedo para trabalhar neste campo, então poderíamos estar prontos para pensar sobre o impacto que a fenomenologia das ondas gravitacionais e sua detecção podem ter nos modelos atuais da física.”

O estudo "As transições de fase super-resfriadas podem explicar o fundo de ondas gravitacionais observado por matrizes de temporização de pulsares?"

Fonte: xjtlu.edu.cn