Antena cósmica capta zumbido de fundo de ondas gravitacionais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/06/2023

Concepção artística de uma coleção de pulsares usados para detectar ondas gravitacionais.
[Imagem: Aurore Simonnet/NANOGrav Collaboration]

Zumbido de fundo de ondas gravitacionais

As teorias de Einstein nos dizem que o espaço-tempo é uma espécie de "tecido", que é deformado pela massa, dando origem à força da gravidade, que nos atrai em direção a essas massas.

Então, o quadro que tínhamos do Universo até pouco tempo atrás consistia em um extenso tecido repousando serenamente pelo cosmos, aqui e ali mais deformado por grandes massas, como planetas, estrelas e buracos negros.

Mas, como é um "tecido", o espaço-tempo pode se ondular, e ele faz isso por meio das ondas gravitacionais, que começaram a ser detectadas há poucos anos. Os instrumentos que desenvolvemos até agora, porém, como os observatórios LIGO e VIRGO, só detectam uma janela muito estreita de frequências - e, como qualquer onda, as ondas gravitacionais podem ondular nas mais diversas frequências.

Agora, uma equipe internacional de pesquisadores, usando radiotelescópios em várias partes do mundo, conseguiu detectar pela primeira vez ondas gravitacionais de baixa frequência, na faixa dos nanohertz. É uma frequência tão baixa que significa que, uma vez que um pico de uma onda gravitacional dessas passe por nós, pode levar de anos, ou mesmo décadas, para que o próximo pico nos atinja.

É uma descoberta marcante porque ela redesenha fundamentalmente a imagem que tínhamos do tecido do espaço-tempo: Em vez de um tecido "repousando serenamente", quase estático, o que temos é algo muito mais parecido com a superfície do mar, repleta de ondas das mais diversas dimensões, sacudindo o tecido e interagindo umas com as outras o tempo todo, criando o que os astrofísicos estão chamando de um "zumbido", um ruído de fundo de ondas gravitacionais.

A existência e a composição desse plano de fundo de ondas gravitacionais - há muito teorizado, mas só agora ouvido - apresenta inúmeros novos insights sobre questões de longa data da cosmologia, do destino de pares de buracos negros supermassivos até a frequência das fusões de galáxias.

Antena cósmica: Ilustração da luz de um pulsar viajando para a Terra em meio a um mar de ondas gravitacionais.
[Imagem: NANOGrav/T. Klein]

Antena cósmica

Ao contrário das fugazes ondas gravitacionais de alta frequência captadas por instrumentos terrestres, como o LIGO e o VIRGO, o sinal contínuo de baixa frequência detectado agora só pode ser percebido com um detector muito maior do que a Terra ou mesmo do que o Sistema Solar.

Para isso, os astrônomos transformaram nosso setor da Via Láctea em uma enorme antena de ondas gravitacionais, essencialmente transformando estrelas exóticas, chamadas pulsares, em uma matriz de detecção na qual cada pulsar funciona como um sensor - os astrônomos chamam essa antena cósmica virtual de matriz de tempo de pulsar. O trabalho da rede NanoGrav (Observatório de Ondas Gravitacionais Nanohertz) começou há 15 anos, coletando dados de 68 pulsares.

Os pulsares agem como faróis estelares, disparando feixes de ondas de rádio dos seus pólos magnéticos. À medida que giram rapidamente (às vezes centenas de vezes por segundo), esses feixes varrem o céu, aparecendo do nosso ponto de vista na Terra como pulsos rítmicos de ondas de rádio. Os pulsos chegam à Terra como um metrônomo, com uma temporização tão precisa que, quando Jocelyn Bell mediu as primeiras ondas de rádio de pulsar, em 1967, os astrônomos pensaram que poderiam ser sinais de uma civilização alienígena.

Quando uma onda gravitacional passa entre nós e um pulsar, ela altera o tempo da onda de rádio porque, como Einstein previu, as ondas gravitacionais estendem e comprimem o espaço à medida que ondulam pelo cosmos, mudando a distância que as ondas de rádio precisam percorrer para chegar até nós.

Para procurar pelo zumbido de fundo das ondas gravitacionais, a equipe desenvolveu programas de computador para comparar o tempo de pares de pulsares em sua antena cósmica - as ondas gravitacionais mudam esse tempo em diferentes graus, dependendo da proximidade dos pulsares no céu. As ondas gravitacionais que geram esse efeito são como aquelas geradas pela fusão de buracos negros ou estrelas de nêutrons já detectadas anteriormente. A diferença é que a antena cósmica permite detectar a interação entre inúmeras delas.

"Imagine muitas ondulações em um oceano a partir de pares de buracos negros supermassivos espalhados por toda parte," explicou Joseph Lazio, membro da colaboração NanoGrav, que coordenou as observações. "Agora, estamos sentados aqui na Terra, que funciona como uma boia junto com os pulsares, e tentamos medir como as ondulações estão mudando e fazendo com que as outras boias se aproximem e se afastem de nós."

Impressão artística da matriz de temporização de pulsares.
[Imagem: OzGrav/Swinburne/Carl Knox]

Melhorias das medições

A análise dos dados do NANOGrav captou o que parece ser um "zumbido coletivo" de ondas gravitacionais de muitos pares de buracos negros supermassivos em fusão em todo o Universo. "As pessoas comparam esse sinal a um murmúrio de fundo, em oposição aos gritos que o LIGO capta," comparou Katerina Chatziioannou, membro da equipe.

É uma espécie de radiação de fundo de ondas gravitacionais, assim como existe uma radiação de fundo de micro-ondas, também conhecida como "eco do Big Bang".

Os dados são convincentes, mas a equipe ressalta que é necessário melhorar a sensibilidade da rede terrestre que detecta os sinais dos pulsares, bem como ajustar os modelos para lidar com a série de incertezas em medições tão sensíveis como esta.

"Para desvendar o fundo das ondas gravitacionais, tivemos que identificar uma infinidade de efeitos interferentes, como o movimento dos pulsares, as perturbações causadas pelos elétrons livres em nossa galáxia, as instabilidades dos relógios de referência nos observatórios de rádio e até a localização precisa do centro do Sistema Solar, que determinamos com a ajuda das missões Juno e Cassini da NASA," exemplificou Michele Vallisneri, também participante do NanoGrav.

Enquanto a equipe trabalha para melhorar suas medições e coletar mais dados, existem outros pesquisadores trabalhando no outro extremo do espectro, tentando detectar ondas gravitacionais de alta frequência.

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