Colisões de buracos negros podem finalmente resolver a tensão de Hubble.

Um sutil "zumbido" de ondas gravitacionais proveniente da fusão de buracos negros pode ajudar a resolver a disputa cósmica sobre a velocidade de expansão do universo.

Pesquisadores desenvolveram uma nova maneira de medir a expansão do universo analisando o tênue sinal de ondas gravitacionais proveniente de inúmeras fusões de buracos negros. A técnica pode ajudar a resolver a antiga discrepância de Hubble à medida que os detectores se tornam mais sensíveis. Crédito: Shutterstock

Os astrônomos sabem há muitas décadas que o universo está em expansão. Para calcular a velocidade dessa expansão atualmente, os pesquisadores medem um valor chamado constante de Hubble. Diferentes técnicas são usadas para determinar esse número e, como se baseiam nas mesmas leis físicas fundamentais, deveriam coincidir. No entanto, as medições baseadas em observações do universo primordial não correspondem às medições baseadas no universo mais recente. Essa discrepância é conhecida como tensão de Hubble e permanece uma das questões mais importantes e sem resposta na cosmologia.

Uma equipe de astrofísicos e cosmólogos do Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois Urbana-Champaign e da Universidade de Chicago apresentou um novo método para estimar a constante de Hubble usando ondas gravitacionais , que são minúsculas ondulações no espaço-tempo. Essa abordagem aprimora a precisão de técnicas anteriores de ondas gravitacionais. À medida que os detectores se tornarem mais sensíveis nos próximos anos, essa estratégia poderá levar a medições ainda mais precisas e ajudar a esclarecer a origem da tensão de Hubble.

O professor de física da Universidade de Illinois, Nicolás Yunes, afirmou: “Este resultado é muito significativo — é importante obter uma medição independente da constante de Hubble para resolver a atual discrepância em torno dela. Nosso método é uma forma inovadora de aprimorar a precisão das inferências sobre a constante de Hubble usando ondas gravitacionais.” Yunes é o diretor fundador do Centro de Estudos Avançados do Universo de Illinois (ICASU), no campus de Urbana.

Esquema da expansão do universo desde o Big Bang (começando à esquerda) até os dias atuais. Crédito: Centro de Voos Espaciais Goddard da NASA.

Daniel Holz, professor de Física e de Astronomia e Astrofísica da Universidade de Chicago e coautor do estudo, acrescentou: “Não é todo dia que se cria uma ferramenta totalmente nova para a cosmologia. Mostramos que, usando o ruído de fundo das ondas gravitacionais provenientes da fusão de buracos negros em galáxias distantes, podemos aprender sobre a idade e a composição do universo. Esta é uma direção empolgante e completamente nova, e estamos ansiosos para aplicar nossos métodos a conjuntos de dados futuros para ajudar a restringir a constante de Hubble, bem como outras quantidades cosmológicas importantes.”

A equipe de pesquisa também inclui Bryce Cousins, estudante de pós-graduação em física da Universidade de Illinois, bolsista de pesquisa da NSF e autor principal do estudo; Kristen Schumacher, estudante de pós-graduação em física da Universidade de Illinois e também bolsista de pesquisa da NSF; Ka-wai Adrian Chung, pesquisador de pós-doutorado em física da Universidade de Illinois; e Colm Talbot e Thomas Callister, pesquisadores de pós-doutorado da Universidade de Chicago e bolsistas do Instituto Kavli de Física Cosmológica. O artigo foi aceito para publicação na revista Physical Review Letters e será publicado na edição de 11 de março. 

Como os cientistas medem a expansão cósmica

Desde o início do século XX, os esforços para medir a expansão do universo seguiram dois caminhos principais: métodos baseados em observações eletromagnéticas e métodos baseados em ondas gravitacionais. Uma abordagem eletromagnética amplamente utilizada se baseia em "velas padrão", como supernovas, que são explosões estelares brilhantes. Como os cientistas entendem o quão luminosas essas explosões realmente são, eles podem determinar tanto a distância delas da Terra quanto a velocidade com que estão se afastando. Juntas, essas medições revelam a taxa de expansão do universo.

A descoberta das ondas gravitacionais abriu um segundo caminho. Essas ondas são produzidas quando objetos extremamente densos, incluindo buracos negros, colidem. As ondulações se propagam na velocidade da luz, de forma semelhante às ondas que se movem na água depois que uma pedra é atirada. Na Terra, a Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), um esforço global com mais de 2.000 membros, opera os instrumentos que detectam esses sinais.

As ondas gravitacionais também podem fornecer medições de distância através do que é conhecido como método da sirene padrão. No entanto, determinar a velocidade com que a fonte está se afastando devido à expansão cósmica é mais desafiador. Para medir esse movimento, os astrônomos geralmente precisam detectar a luz da fusão ou identificar a galáxia onde ela ocorreu.

Se todas as técnicas estivessem perfeitamente alinhadas, produziriam a mesma constante de Hubble. O fato de não produzirem sugere que algo pode estar faltando nos modelos atuais. Possíveis explicações incluem a energia escura primordial, uma influência proposta que teria alterado a taxa de expansão no universo jovem; interações entre a matéria escura, que compõe a maior parte da matéria do universo, e os neutrinos; ou mudanças na forma como a energia escura evolui ao longo do tempo.

O Fundo de Ondas Gravitacionais e o Método da Sirene Estocástica

Na nova pesquisa, Yunes, Cousins ​​e seus colegas propõem uma estratégia diferente. Em vez de se concentrarem apenas em fusões de buracos negros que os detectores conseguem identificar claramente, eles analisam o sinal combinado de muitas colisões distantes que são muito fracas para serem observadas individualmente. Juntos, esses eventos não resolvidos formam o que é chamado de ruído de fundo de ondas gravitacionais.

“Como estamos observando colisões individuais de buracos negros, podemos determinar as taxas em que essas colisões ocorrem em todo o universo. Com base nessas taxas, esperamos que haja muitos outros eventos que não podemos observar, o que é chamado de ruído de fundo de ondas gravitacionais”, explica Cousins.

Os pesquisadores mostram que, se a constante de Hubble fosse menor, o universo observável abrangeria um volume total menor. Nesse caso, as fusões de buracos negros estariam concentradas em uma região menor do espaço, aumentando a intensidade geral do ruído de fundo das ondas gravitacionais. Se esse ruído de fundo mais intenso não for detectado, isso efetivamente descarta taxas de expansão mais lentas.

Eles se referem a essa abordagem como o método da sirene estocástica, refletindo a natureza aleatória das fusões que contribuem para o sinal de fundo.

Usando dados existentes do LVK, a equipe demonstrou que, mesmo sem detectar diretamente o fundo de ondas gravitacionais, era possível estabelecer limites para cenários de expansão muito lenta. Ao combinar esse método com medições de fusões individuais de buracos negros, eles obtiveram uma estimativa mais precisa da constante de Hubble. O valor resultante situa-se na região associada à tensão de Hubble, mostrando que o método pode refinar significativamente as medições cosmológicas.

Com o aprimoramento contínuo dos observatórios de ondas gravitacionais, espera-se que essa técnica se torne mais poderosa. Os cientistas preveem que o sinal de fundo das ondas gravitacionais poderá ser detectado em cerca de seis anos. Até lá, limites superiores cada vez mais rigorosos para o sinal de fundo continuarão a reduzir a faixa de valores possíveis para a constante de Hubble.

“Isso deve abrir caminho para a aplicação desse método no futuro, à medida que continuarmos a aumentar a sensibilidade, a restringir melhor o fundo de ondas gravitacionais e, talvez, até mesmo a detectá-lo”, diz Cousins. “Ao incluir essas informações, esperamos obter melhores resultados cosmológicos e estar mais perto de resolver a tensão de Hubble.”

Scitechdaily.com