Detector de ondas gravitacionais do tamanho de uma galáxia revela 'ponto quente' de atividade

Usando o maior detector de ondas gravitacionais já feito, confirmamos relatos anteriores de que o tecido do Universo está constantemente vibrando. Esse estrondo de fundo é provavelmente causado por colisões entre os enormes buracos negros que residem no coração das galáxias. 

(Pitris/Getty Images) 

Os resultados do nosso detector – uma matriz de estrelas de nêutrons girando rapidamente espalhadas pela galáxia – mostram que esse 'fundo de onda gravitacional' pode ser mais alto do que se pensava anteriormente. Também fizemos os mapas mais detalhados até agora de ondas gravitacionais no céu, e encontramos um intrigante 'ponto quente' de atividade no Hemisfério Sul.

Nossa pesquisa foi publicada hoje em três artigos no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

Ondulações no espaço e no tempo

Ondas gravitacionais são ondulações no tecido do espaço e do tempo. Elas são criadas quando objetos incrivelmente densos e massivos orbitam ou colidem uns com os outros.

Os objetos mais densos e massivos do Universo são buracos negros, os restos de estrelas mortas. Uma das únicas maneiras de estudar buracos negros é procurando pelas ondas gravitacionais que eles emitem quando se movem perto uns dos outros.

Assim como a luz, as ondas gravitacionais são emitidas em um espectro. Os buracos negros mais massivos emitem as ondas mais lentas e poderosas – mas para estudá-las, precisamos de um detector do tamanho da nossa galáxia.

As ondas gravitacionais de alta frequência criadas por colisões entre buracos negros relativamente pequenos podem ser captadas com detectores baseados na Terra, e foram observadas pela primeira vez em 2015. No entanto, evidências da existência de ondas mais lentas e poderosas só foram encontradas no ano passado.

Vários grupos de astrônomos ao redor do mundo montaram detectores de ondas gravitacionais em escala galáctica observando de perto o comportamento de grupos de tipos particulares de estrelas. Nosso experimento, o MeerKAT Pulsar Timing Array , é o maior desses detectores em escala galáctica.

Hoje anunciamos mais evidências de ondas gravitacionais de baixa frequência, mas com algumas diferenças intrigantes de resultados anteriores. Em apenas um terço do tempo de outros experimentos, encontramos um sinal que sugere um universo mais ativo do que o previsto.

Também conseguimos mapear a arquitetura cósmica deixada pela fusão de galáxias com mais precisão do que nunca.

Buracos negros, galáxias e pulsares

No centro da maioria das galáxias, os cientistas acreditam, vive um objeto gigantesco conhecido como buraco negro supermassivo . Apesar de sua enorme massa – bilhões de vezes a massa do nosso Sol – esses gigantes cósmicos são difíceis de estudar.

Os astrônomos sabem da existência de buracos negros supermassivos há décadas, mas só observaram um diretamente pela primeira vez em 2019 .

Quando duas galáxias se fundem, os buracos negros em seus centros começam a espiralar em direção um ao outro. Nesse processo, eles enviam ondas gravitacionais lentas e poderosas que nos dão uma oportunidade de estudá-los.

Fazemos isso usando outro grupo de objetos cósmicos exóticos: pulsares . Essas são estrelas extremamente densas feitas principalmente de nêutrons, que podem ter o tamanho de uma cidade, mas são duas vezes mais pesadas que o Sol.

Os pulsares giram centenas de vezes por segundo. Conforme giram, eles agem como faróis, atingindo a Terra com pulsos de radiação de milhares de anos-luz de distância. Para alguns pulsares, podemos prever quando esse pulso deve nos atingir com precisão de nanossegundos.

Nossos detectores de ondas gravitacionais fazem uso desse fato. Se observarmos muitos pulsares no mesmo período de tempo, e estivermos errados sobre quando os pulsos nos atingem de uma forma muito específica, sabemos que uma onda gravitacional está esticando ou comprimindo o espaço entre a Terra e os pulsares.

No entanto, em vez de ver apenas uma onda, esperamos ver um oceano cósmico cheio de ondas cruzando-se em todas as direções – as ondulações ecoantes de todas as fusões galácticas na história do universo. Chamamos isso de fundo de onda gravitacional.

Um sinal surpreendentemente alto – e um intrigante 'ponto quente'

Para detectar o fundo de ondas gravitacionais, usamos o radiotelescópio MeerKAT na África do Sul. O MeerKAT é um dos radiotelescópios mais sensíveis do mundo.

Um mapa do fundo de ondas gravitacionais no céu, incluindo um misterioso "ponto quente" no hemisfério sul. ( Grunthal & Nathan et al. /MNRAS )

Como parte do MeerKAT Pulsar Timing Array, ele tem observado um grupo de 83 pulsares por cerca de cinco anos, medindo precisamente quando seus pulsos chegam à Terra. Isso nos levou a encontrar um padrão associado a um fundo de onda gravitacional, só que é um pouco diferente do que outros experimentos encontraram.

O padrão, que representa como o espaço e o tempo entre a Terra e os pulsares são alterados pelas ondas gravitacionais que passam entre eles, é mais poderoso do que o esperado. 

Isso pode significar que há mais buracos negros supermassivos orbitando um ao outro do que pensávamos. Se for assim, isso levanta mais questões – porque nossas teorias existentes sugerem que deve haver menos buracos negros supermassivos do que parecemos estar vendo.

O tamanho do nosso detector e a sensibilidade do telescópio MeerKAT significam que podemos avaliar o fundo com extrema precisão. Isso nos permitiu criar os mapas mais detalhados do fundo de ondas gravitacionais até o momento. Mapear o fundo dessa forma é essencial para entender a arquitetura cósmica do nosso Universo.

Pode até nos levar à fonte final dos sinais de ondas gravitacionais que observamos. Embora pensemos que é provável que o pano de fundo surja das interações desses buracos negros colossais, ele também pode resultar de mudanças no universo energético inicial após o Big Bang – ou talvez eventos ainda mais exóticos.

Os mapas que criamos mostram um intrigante ponto quente de atividade de ondas gravitacionais no céu do Hemisfério Sul. Esse tipo de irregularidade apoia a ideia de um fundo criado por buracos negros supermassivos em vez de outras alternativas.

No entanto, criar um detector do tamanho de uma galáxia é incrivelmente complexo, e é muito cedo para dizer se isso é genuíno ou uma anomalia estatística.

Para confirmar nossas descobertas, estamos trabalhando para combinar nossos novos dados com resultados de outras colaborações internacionais sob a bandeira do International Pulsar Timing Array .

Fonte: sciencealert.com