Os cientistas dizem que podem usar pequenas ondulações no espaço e no tempo, ou ondas gravitacionais, para medir a taxa de expansão do nosso Universo. A disparidade no cálculo desta relação, conhecida como “tensão de Hubble”, pode resolver um dos maiores mistérios da física atual.
Os cientistas sabem desde 1998 que não só universo está se expandindo, mas a taxa de expansão está acelerando. “Energia escura“Introduzido como um nome substituto para a força misteriosa que impulsiona esta aceleração, mas em geral há um problema pendente em torno da taxa de expansão do universo, após mais de duas décadas e meia de investigação.
“Este resultado é muito importante – obter uma medição independente da constante de Hubble é importante para resolver a atual tensão do Hubble,” disse o líder da equipa Nicholas Younes, diretor fundador do Centro de Estudos Avançados no Universo de Illinois (ICASU) em Urbana. disse em um comunicado. “Nosso método é uma forma inovadora de melhorar a precisão das suposições da constante de Hubble usando ondas gravitacionais.”
Por que ondas gravitacionais?
A história das ondas gravitacionais começa em 1915 Albert EinsteinTambém conhecida como teoria da gravidade Relatividade geral. A relatividade geral afirma que objetos com massa causam distorção na estrutura do espaço-tempo (a unidade quadridimensional do espaço e do tempo). O que experimentamos como gravidade surge desta deformação; Quanto maior a massa, maior será a curvatura e mais forte será o efeito gravitacional.
No entanto, a relatividade geral prevê que quando os objetos aceleram no espaço-tempo, criam ondulações. velocidade da luz. Eles são chamados de ondas gravitacionais. A humanidade detectou ondas gravitacionais pela primeira vez em 2015, graças ao Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ondas detectadas nos EUA provêm da colisão e fusão de dois gigantes Buracos negros Localizado a cerca de 1,3 bilhão de anos-luz de distância. Desde então, juntamente com os seus co-descobridores, o Detector de Ondas Gravitacionais Virgo e Kamioka (KAGRA), em Itália e no Japão, respectivamente, o LIGO detectou ondas gravitacionais provenientes de múltiplas fusões entre pares de buracos negros, estrelas de neutrões superdensas.
Ondas gravitacionais foram propostas antes da constante de Hubble ser medida, mas o problema era que a precisão não existia. A equipe acredita que sua abordagem inovadora tem essa precisão e afirma que ela 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. Ao usar o eco 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 que ajudarão a restringir a constante de Hubble e outras quantidades cosmológicas importantes.”
Para usar ondas gravitacionais para medir a constante de Hubble, os cientistas devem medir a velocidade com que os eventos que iniciam essas ondas se afastam de nós, e não apenas estimar a distância até esses eventos. Isso exige que os astrônomos observem a luz desses eventos ou mesmo das galáxias que os hospedam, ou mais precisamente a radiação eletromagnética.
Ao comparar esses dois tipos de astronomia, chamados de “astronomia multimensageira”, os cientistas podem obter dois valores para a constante de Hubble: um apenas para radiação eletromagnética e outro para radiação eletromagnética e ondas gravitacionais. Se estas técnicas discordarem, a tensão Hubble persiste, e os cientistas sabem que há algo mais no universo primitivo e no universo moderno que atualmente não é explicado.
Ondas gravitacionais de fundo são o que a equipe propõe usar em uma técnica chamada método da sirene estocástica. Pode ser pensado como o zumbido de fundo do universo, com uma série de eventos colisionais mais distantes subjacentes à orquestra ruidosa de fusões de buracos negros massivos relativamente próximos.
“Como observamos colisões individuais de buracos negros, podemos determinar as taxas dessas colisões em todo o universo”, disse Cousins. “Com base nessas taxas, esperamos que haja muitos fenômenos inobserváveis, chamados de fundo de ondas gravitacionais.”
Parentes e colegas atribuem isso ao fato de que valores mais baixos da constante de Hubble significam menos espaço para a ocorrência de colisões, resultando em uma densidade de colisão mais alta e um sinal de fundo de onda gravitacional mais forte. Portanto, se esse fundo não puder ser detectado, isso indica uma constante de Hubble mais alta.
Embora o conjunto LIGO-Virgo-KAGRA ainda não seja suficientemente sensível para detectar o fundo das ondas gravitacionais, a equipa conseguiu aplicar um método Siren mais consistente aos dados recolhidos por estes detectores. Eles descobriram que isso implica valores mais altos da constante de Hubble e, portanto, uma taxa de expansão global muito mais rápida.
É uma prova de conceito para a equipe; À medida que a sensibilidade aumenta e os cientistas podem reforçar as restrições à constante de Hubble, o método da sirene estocástica pode tornar-se realidade nos próximos seis anos. Após este período, os detectores de ondas gravitacionais devem ser sensíveis o suficiente para “ouvir” grande parte do fundo das ondas gravitacionais, e o método pode ter se desenvolvido o suficiente para fornecer uma medição independente da constante de Hubble, encerrando a tensão de Hubble.
“Isso abre caminho para futuras aplicações deste método continuarem a aumentar a sensibilidade, controlar melhor o fundo das ondas gravitacionais e talvez até detectá-lo”, disse Cousins . “Ao adicionar essa informação, obteremos melhores resultados cosmológicos e estaremos 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.
