Cientistas de ondas gravitacionais propõem um novo método para refinar a Constante de Hubble - a expansão e idade do universo
Cientistas de ondas gravitacionais propõem um novo método para refinar a Constante de Hubble - a expansão e idade do universo
Ilustração artística de um par de estrelas de nêutrons em fusão. Crédito:Carl Knox, OzGrav-Swinburne University
Uma equipe de cientistas internacionais, liderado pelo Instituto Galego de Física de Altas Energias (IGFAE) e o Centro de Excelência ARC para a Descoberta de Ondas Gravitacionais (OzGrav), propôs um método simples e novo para reduzir a precisão das medições da constante de Hubble para 2% usando uma única observação de um par de estrelas de nêutrons em fusão.
O universo está em expansão contínua. Por causa disso, objetos distantes, como galáxias, estão se afastando de nós. Na verdade, quanto mais longe eles estão, quanto mais rápido eles se movem. Os cientistas descrevem essa expansão por meio de um número famoso conhecido como constante de Hubble, que nos diz quão rápido os objetos no universo se afastam de nós dependendo de sua distância até nós. Medindo a constante de Hubble de maneira precisa, também podemos determinar algumas das propriedades mais fundamentais do universo, incluindo sua idade.
Por décadas, cientistas mediram a constante de Hubble com precisão crescente, coletando sinais eletromagnéticos emitidos por todo o universo, mas chegando a um resultado desafiador:as duas melhores medições atuais fornecem resultados inconsistentes. Desde 2015, cientistas tentaram enfrentar esse desafio com a ciência das ondas gravitacionais, ondulações na estrutura do espaço-tempo que viajam à velocidade da luz. As ondas gravitacionais são geradas nos eventos cósmicos mais violentos e fornecem um novo canal de informação sobre o universo. Eles são emitidos durante a colisão de duas estrelas de nêutrons - os núcleos densos de estrelas em colapso - e podem ajudar os cientistas a cavar mais fundo no mistério constante do Hubble.
Ao contrário dos buracos negros, a fusão de estrelas de nêutrons produz ondas gravitacionais e eletromagnéticas, como raios X, ondas de rádio e luz visível. Embora as ondas gravitacionais possam medir a distância entre a fusão da estrela de nêutrons e a Terra, ondas eletromagnéticas podem medir a velocidade com que toda a sua galáxia está se afastando da Terra. Isso cria uma nova maneira de medir a constante de Hubble. Contudo, mesmo com a ajuda de ondas gravitacionais, ainda é complicado medir a distância para fusões de estrelas de nêutrons - isto é, em parte, porque as medições atuais baseadas em ondas gravitacionais da constante de Hubble têm uma incerteza de ~ 16%, muito maior do que as medições existentes usando outras técnicas tradicionais.
Em um artigo publicado recentemente no Cartas de jornal astrofísico , uma equipe de cientistas liderada pelo ARC Centro de Excelência para Descoberta de Ondas Gravitacionais (OzGrav) e ex-alunos da Monash University Prof Juan Calderón Bustillo (agora La Caixa Junior Leader e Marie Curie Fellow no instituto galego de Física de Altas Energias da Universidade de Santiago de Compostela , Espanha), propôs um método simples e novo para reduzir a precisão dessas medições para 2% usando uma única observação de um par de estrelas de nêutrons em fusão.
De acordo com o Prof Calderón Bustillo, é difícil interpretar a que distância essas fusões ocorrem porque "atualmente, não podemos dizer se o binário está muito longe e voltado para a Terra, ou se estiver muito mais perto, com a Terra em seu plano orbital. "Para decidir entre esses dois cenários, a equipe se propôs a estudar o secundário, componentes muito mais fracos dos sinais de ondas gravitacionais emitidos por fusões de estrelas de nêutrons, conhecidos como modos superiores.
"Assim como uma orquestra toca instrumentos diferentes, fusões de estrelas de nêutrons emitem ondas gravitacionais por meio de diferentes modos, "explica o professor Calderón Bustillo." Quando as estrelas de nêutrons em fusão estão voltadas para você, você ouvirá apenas o instrumento mais alto. Contudo, se você estiver perto do plano orbital da fusão, você também deve ouvir os secundários. Isso nos permite determinar a inclinação da fusão estrela de nêutrons, e meça melhor a distância. "
Contudo, o método não é completamente novo:"Sabemos que isso funciona bem para o caso de fusões de buracos negros muito massivos porque nossos detectores atuais podem registrar o instante de fusão quando os modos superiores são mais proeminentes. Mas, no caso de estrelas de nêutrons, o tom do sinal de fusão é tão alto que nossos detectores não conseguem registrá-lo. Podemos apenas registrar as órbitas anteriores, "diz o professor Calderón Bustillo.
Futuros detectores de ondas gravitacionais, como o projeto australiano proposto NEMO, será capaz de acessar o estágio de fusão real de estrelas de nêutrons. "Quando duas estrelas de nêutrons se fundem, a física nuclear que governa sua matéria pode causar sinais muito ricos que, se detectado, poderia nos permitir saber exatamente onde a Terra se senta em relação ao plano orbital da fusão, "diz o co-autor e investigador-chefe do OzGrav, Dr. Paul Lasky, da Monash University. O Dr. Lasky também é um dos líderes do projeto NEMO. "Um detector como o NEMO pode detectar esses sinais ricos, " ele adiciona.
Em seu estudo, a equipe realizou simulações de computador de fusões de estrelas de nêutrons que podem revelar o efeito da física nuclear das estrelas nas ondas gravitacionais. Estudando essas simulações, a equipe determinou que um detector como o NEMO poderia medir a constante de Hubble com uma precisão de 2%.
Co-autor do estudo Prof Tim Dietrich, da Universidade de Potsdam, diz:"Descobrimos que pequenos detalhes que descrevem a forma como os nêutrons se comportam dentro da estrela produzem assinaturas sutis nas ondas gravitacionais que podem ajudar muito a determinar a taxa de expansão do universo. É fascinante ver como os efeitos na menor escala nuclear podem inferir o que acontece no maior cosmológico possível. "
Samson Leong, estudante de graduação na Universidade Chinesa de Hong Kong e co-autor do estudo aponta "uma das coisas mais interessantes sobre o nosso resultado é que obtivemos uma grande melhoria considerando um cenário bastante conservador. Embora o NEMO seja realmente sensível a a emissão de fusões de estrelas de nêutrons, detectores mais evoluídos, como o telescópio Einstein ou o Cosmic Explorer, serão ainda mais sensíveis, portanto, permitindo-nos medir a expansão do universo com uma precisão ainda melhor! "
Uma das implicações mais importantes deste estudo é que ele poderia determinar se o universo está se expandindo uniformemente no espaço, conforme a hipótese atual. "Os métodos anteriores para atingir este nível de precisão dependem da combinação de muitas observações, assumindo que a constante de Hubble é a mesma em todas as direções e ao longo da história do universo, "diz Calderón Bustillo." No nosso caso, cada evento individual geraria uma estimativa muito precisa de "sua própria constante de Hubble, "permitindo-nos testar se esta é realmente uma constante ou se varia ao longo do espaço e do tempo."
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