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Quão rápido o universo está realmente se expandindo? Ondulações no espaço-tempo poderiam finalmente resolver a ‘tensão de Hubble’
Uma equipe de cientistas diz que é possível usar pequenas ondulações no espaço e no tempo, ou ondas gravitacionais, para medir a taxa de expansão do nosso universo. Isto poderia resolver um dos maiores mistérios da física atual, uma disparidade no cálculo desta taxa conhecida como “tensão de Hubble”.
Os cientistas sabem desde 1998 que não só o universo em expansão, mas também que a taxa de expansão está a acelerar. “Energia escura” foi introduzido como um nome substituto para a força misteriosa que impulsiona esta aceleração, mas há uma questão pendente em torno da taxa de expansão do Universo em geral, mesmo depois de mais de duas décadas e meia de investigação.
Uma parte fundamental na medição da taxa de movimento do nosso universo expansão é o Constante de Hubble. A chamada “tensão de Hubble” surge do fato de que quando você mede a constante de Hubble a partir do universo local e moderno – usando Supernovas tipo 1a para suas medições – você obtém um valor. No entanto, quando você inicia o cálculo a partir do cosmos distante e antigo — e usa uma estrutura importante da física chamada modelo padrão da cosmologia para medir a resposta — você obtém outro valor. Os cientistas há muito que procuram uma terceira forma de medir a constante de Hubble, como uma forma extra de verificar o seu verdadeiro valor. E agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign e da Universidade de Chicago acredita que a resposta está em ondas gravitacionais.
“Este resultado é muito significativo – é importante obter uma medição independente da constante de Hubble para resolver a atual tensão do Hubble”, disse o líder da equipe Nicolas Yunes, diretor fundador do Centro de Estudos Avançados do Universo (ICASU) de Urbana, em Illinois. disse em um comunicado. “Nosso método é uma forma inovadora de aumentar a precisão das inferências das constantes de Hubble usando ondas gravitacionais.”
Por que ondas gravitacionais?
A história das ondas gravitacionais começa em 1915 com Albert Einsteinteoria da gravidade, conhecida como relatividade geral. A relatividade geral sugere que objetos com massa fazem com que a própria estrutura do espaço-tempo (a unificação quadridimensional do espaço e do tempo) se deforme. O que experimentamos como gravidade surge desta deformação; quanto maior a massa, maior a curvatura e mais forte o efeito gravitacional.
Contudo, a relatividade geral também prevê que quando os objetos aceleram no espaço-tempo, isso gera ondulações que se irradiam para fora no velocidade da luz. Essas são chamadas de ondas gravitacionais. A humanidade fez a primeira detecção de ondas gravitacionais em 2015, graças ao Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO) nos EUA As ondas detectadas vieram da colisão e fusão de dois massivos buracos negros localizado a cerca de 1,3 bilhão de anos-luz de distância. Desde então, juntamente com os seus colegas detectores Virgo e Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) em Itália e no Japão, respectivamente, o LIGO detectou ondas gravitacionais de muitas fusões entre pares de buracos negros, pares de estrelas de neutrões ultradensas — e até mesmo uma fusão mista entre um buraco negro e uma estrela de neutrões.
Ondas gravitacionais já foram propostas como forma de medir a constante de Hubble, mas o problema é que a precisão não existia. Esta equipe acredita que sua nova abordagem tem essa precisão e diz que ela só aumentará à medida que nossos detectores de ondas gravitacionais se tornarem mais sensíveis.
“Não é todo dia que se cria uma ferramenta inteiramente nova para a cosmologia. Mostramos que, usando o zumbido das ondas gravitacionais de fundo da fusão de buracos negros em galáxias distantes, podemos aprender sobre a idade e a composição do universo”, disse Daniel Holz, da Universidade de Chicago. “Esta é uma direção excitante e completamente nova, e estamos ansiosos para aplicar os nossos métodos a conjuntos de dados futuros para ajudar a restringir a constante de Hubble, bem como outras quantidades cosmológicas importantes.”
Para usar ondas gravitacionais para medir a constante de Hubble, os cientistas precisam medir a velocidade com que os eventos que lançam as ondas se afastam de nós, e não apenas estimar a distância até esses eventos. Isso exige que os astrônomos rastreiem a luz, ou mais precisamente, a radiação eletromagnética, desses eventos ou mesmo das galáxias que os hospedam.
Comparando estas duas formas de astronomia, unificadas como a chamada “astronomia multimensageira”, os cientistas podem obter dois valores para a constante de Hubble: um apenas com radiação electromagnética, outro com radiação electromagnética e ondas gravitacionais. Se estas técnicas não concordarem, a tensão Hubble persiste, e os cientistas sabem que há algo diferente no Universo primitivo e no Universo moderno que atualmente não é explicado.
O que a equipe propõe usar na técnica que eles chamam de método da sirene estocástica são ondas gravitacionais de fundo. Isto pode ser pensado como o zumbido de fundo do universo de uma série de eventos de colisão mais distantes subjacentes àquela orquestra ruidosa de fusões de buracos negros massivos relativamente próximos.
“Como estamos observando colisões individuais de buracos negros, podemos determinar as taxas dessas colisões que acontecem em todo o universo”, disse Cousins. “Com base nessas taxas, esperamos que haja muito mais eventos que não podemos observar, o que é chamado de fundo de ondas gravitacionais.”
Cousins e colegas raciocinam que para valores mais baixos da constante de Hubble, há um menor volume de espaço disponível para a ocorrência de colisões, resultando numa maior densidade de colisão e, portanto, num sinal de fundo de onda gravitacional mais forte. Então, se esse fundo não puder ser detectado, isso sugere uma constante de Hubble mais alta.
Embora o conglomerado LIGO-Virgo-KAGRA ainda não seja sensível para detectar o fundo das ondas gravitacionais, a equipe ainda foi capaz de aplicar o método da sirene estocástica aos dados coletados por esses detectores. Eles descobriram que isto implicava valores mais elevados da constante de Hubble e, portanto, uma taxa de expansão universal mais rápida.
Isso foi apenas uma prova de conceito para a equipe; o método da sirene estocástica poderá realmente se tornar útil nos próximos seis anos, à medida que a sensibilidade aumentar e os cientistas puderem reforçar as restrições à constante de Hubble. Após este período, os detectores de ondas gravitacionais deveriam ser sensíveis o suficiente para “ouvir” grande parte do fundo das ondas gravitacionais, e este método poderia ter se desenvolvido o suficiente para fornecer uma medida independente da constante de Hubble, potencialmente encerrando a tensão de Hubble.
“Isso deve abrir caminho para a aplicação deste método no futuro, à medida que continuamos a aumentar a sensibilidade, restringir melhor o fundo das ondas gravitacionais e talvez até detectá-lo”, disse Cousins. “Ao incluir essa informação, esperamos obter melhores resultados cosmológicos e estar mais perto de resolver a tensão do Hubble.”
A pesquisa da equipe aparece na edição de 11 de março da revista Cartas de revisão física.
