Os astrónomos sabem há décadas que o Universo está em expansão. Para determinar o quão rápido está crescendo hoje, os cientistas calculam um valor chamado constante de Hubble. Vários métodos independentes são usados para medi-lo e, como se baseiam na mesma física subjacente, devem produzir resultados consistentes. Em vez disso, as medições baseadas em observações do universo primitivo entram em conflito com as medições feitas no universo posterior. Esta discrepância é conhecida como tensão de Hubble e é um dos mais importantes problemas não resolvidos da cosmologia moderna.
Uma equipe de astrofísicos e cosmólogos da Granger College of Engineering da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e da Universidade de Chicago apresentou uma nova maneira de calcular a constante de Hubble usando ondas gravitacionais, que são pequenas ondulações no espaço-tempo. A sua abordagem melhora a precisão dos métodos anteriores baseados em ondas gravitacionais. À medida que os detectores se tornam mais sensíveis, esta técnica poderá fornecer medições ainda mais precisas, potencialmente ajudando os cientistas a fechar a lacuna de tensão do Hubble.
O professor de física de Illinois, Nicholas Younes, disse:”Este resultado é muito significativo – é importante obter uma medição independente da constante de Hubble para resolver o estresse atual de Hubble. Nosso método é uma forma inovadora de melhorar a precisão das inferências da constante de Hubble usando ondas gravitacionais. ” Younes é o diretor fundador do Centro de Estudos Avançados do Universo de Illinois (ICASU) no campus Urbana.
Daniel Holtz, professor de física, astronomia e astrofísica da Universidade de Chicago e coautor do estudo, disse:”Não é todo dia que você cria uma ferramenta inteiramente nova para cosmologia. Mostramos que usando o zumbido de fundo das ondas gravitacionais da fusão de buracos negros em galáxias distantes, podemos aprender sobre a idade e a composição do universo. Esta é uma direção emocionante e completamente nova, e estamos ansiosos para as aplicações de nossos métodos em conjuntos de dados futuros para ajudar a restringir a constante de Hubble bem como outras quantidades cosmológicas importantes.”
A equipe de pesquisa também inclui o estudante de pós-graduação em física do estado de Illinois, Bryce Cousins, pesquisador associado da NSF e principal autor do estudo; Kristen Schumacher, estudante de pós-graduação em física de Illinois, bolsista de pós-doutorado da NSF; PhD em Física do Estado de Illinois Ka-Wai Adrian Chung; e os bolsistas de pós-doutorado da Universidade de Chicago, Colm Talbot e Thomas Callister, ambos bolsistas de pós-doutorado no Cowley Institute for Cosmological Physics. Os resultados são aceitos para publicação em Revisão de planilhas físicas e aparecerá na edição de 11 de março. O texto completo do artigo já está disponível no arXiv.
Como os cientistas medem a expansão do universo
Desde o início dos anos 1900, os investigadores têm confiado em duas estratégias principais para medir a expansão cósmica. Uma abordagem utiliza observações eletromagnéticas, enquanto a outra utiliza ondas gravitacionais. Um método eletromagnético bem conhecido envolve “velas padrão”, como supernovas, que são poderosas explosões estelares. Como os astrónomos compreendem o quão brilhantes são estes eventos, podem calcular a sua distância da Terra e a rapidez com que se afastam. A combinação desses números mostra a taxa na qual o universo está se expandindo.
Nos últimos anos, as ondas gravitacionais descobriram um caminho diferente. Essas ondas ocorrem quando objetos extremamente densos, como buracos negros, colidem. As ondulações se movem pelo espaço à velocidade da luz, semelhantes às ondas circulares que viajam pela água depois que uma pedra é jogada em um lago. Na Terra, a Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), uma rede global de mais de 2.000 membros, detecta estes sinais.
As ondas gravitacionais também podem ser usadas para estimar a distância usando o chamado método da sirene padrão. No entanto, determinar a rapidez com que a fonte está recuando devido à expansão cósmica é mais difícil. Para medir esta velocidade, os astrónomos normalmente precisam de detetar a luz da fusão ou identificar a galáxia onde esta ocorreu.
Idealmente, todos estes métodos apontariam para uma única constante de Hubble. Em vez disso, eles discordam. Se a tensão persistir, poderá indicar que os cientistas precisam de repensar a sua compreensão do Universo primitivo. As explicações propostas incluem a energia escura inicial, interações entre a matéria escura e os neutrinos ou mudanças no comportamento da energia escura ao longo do tempo.
Um novo método de fundo de ondas gravitacionais
Em seu trabalho mais recente, Younes, Cousins e seus colegas descrevem uma nova maneira de estimar a constante de Hubble, estudando as colisões de buracos negros que os detectores atuais não conseguem detectar individualmente. Juntos, esses incontáveis eventos fracos criam o que é chamado de fundo de onda gravitacional.
“Como observamos colisões individuais de buracos negros, podemos determinar a taxa destas colisões em todo o Universo. Com base nestas velocidades, esperamos que haja muito mais eventos que não podemos observar, chamados de fundo de onda gravitacional,” explica Cousins.
A equipe mostrou que se a constante de Hubble fosse menor, o volume total do universo observável também seria menor. Isso significaria que as colisões de buracos negros seriam compactadas em um espaço mais restrito, aumentando a força geral da onda gravitacional de fundo. Se este sinal de fundo não for detectado em um determinado nível, exclui taxas de expansão mais lentas.
Os pesquisadores chamam sua abordagem de método da sirene estocástica, que captura a natureza aleatória das colisões que contribuem para o fundo das ondas gravitacionais.
Usando dados atuais do LVK, a equipe testou seu método. Mesmo sem detectar diretamente o fundo das ondas gravitacionais, eles foram capazes de descartar taxas de expansão particularmente lentas. Quando combinaram o método da sirene estocástica com medições existentes de fusões de buracos negros individuais, obtiveram uma estimativa mais precisa da constante de Hubble. O seu resultado está dentro da faixa associada ao estresse de Hubble, mostrando o potencial do método para melhorar medições futuras.
À medida que os observatórios de ondas gravitacionais melhoram, esta estratégia deverá tornar-se ainda mais poderosa. Os cientistas esperam que o fundo das ondas gravitacionais seja detectado em cerca de seis anos. Até então, restrições cada vez mais rigorosas ao sinal de fundo continuarão a estreitar o intervalo possível da constante de Hubble.
“Isso deve abrir caminho para futuras aplicações deste método à medida que continuamos a aumentar a sensibilidade, suprimir melhor o fundo das ondas gravitacionais e talvez até detectá-lo”, diz Cousins. “Ao incluir esta informação, esperamos obter melhores resultados cosmológicos e chegar mais perto de resolver a tensão de Hubble.”
Apoio à pesquisa e recursos computacionais
A análise foi baseada em um cluster de campus de Illinois operado pelo Illinois Campus Cluster Program em parceria com o National Center for Supercomputing Applications.
O financiamento veio do Programa de Bolsas de Pós-Graduação da NSF sob o subsídio nº DGE 21-46756 e do subsídio nº DGE-1746047 e NSF sob os prêmios PHY-2207650, PHY-2207650 e PHY2110507. Apoio adicional foi fornecido pela Simons Foundation através do Prêmio #896696 e pela NASA através do Grant #80NSSC22K0806. O apoio também veio da bolsa de pós-doutorado Eric e Wendy Schmidt AI in Science e do Instituto Kavli de Física Cosmológica por meio de uma doação da Fundação Kavli e de seu fundador, Fred Kavli. As conclusões apresentadas são dos investigadores e não necessariamente da agência financiadora.
