O rugido das ondas gravitacionais da fusão de buracos negros supermassivos foi ouvido no universo pela primeira vez

Após 15 anos coletando dados em um experimento do tamanho de uma galáxia, os cientistas “ouviram” o coro perpétuo de ondas gravitacionais ondulando pelo universo pela primeira vez – e é mais alto do que o esperado.

A descoberta inovadora foi feita por cientistas do North American Nanohertz Gravitational-Wave Observatory (NANOGrav), que monitoram de perto estrelas chamadas pulsares que atuam como metrônomos celestes. As ondas gravitacionais recém-descobertas – ondulações no tecido do espaço-tempo – são as mais poderosas já medidas: elas carregam quase um milhão de vezes mais energia do que as ondas gravitacionais detectadas de fusões de buracos negros e estrelas de nêutrons. Através de experimentos como LIGO e Virgo.

Cientistas da Nanograph relatam em uma série de novos artigos que aparecem hoje na Nanograph Cartas do Diário Astrofísico.

diz a cientista do NANOGrav Chiara Mingarelli, que trabalhou nas novas descobertas enquanto ela era uma cientista pesquisadora assistente no Centro de Astrofísica Computacional (CCA) na cidade de Nova York. “Esta é a primeira evidência de um fundo de onda gravitacional. Abrimos uma nova janela de observação do universo.”

A existência e formação de ondas gravitacionais de fundo – há muito teóricas, mas inéditas – oferece um tesouro de novos insights sobre questões de longa data, desde o destino de pares de buracos negros supermassivos até a frequência de fusões de galáxias.

Por enquanto, o NANOGrav só pode medir o fundo geral da onda gravitacional, em vez da radiação de “cantores” individuais. Mas mesmo isso trouxe surpresas.

“O fundo da onda gravitacional é cerca de duas vezes maior do que eu esperava”, diz Mingarelli, agora professor assistente na Universidade de Yale. “É realmente o que nossos modelos podem criar a partir de buracos negros supermassivos”.

O tamanho ensurdecedor pode resultar de limitações experimentais ou de buracos negros supermassivos mais pesados ​​e abundantes. Mas também existe a possibilidade de que algo mais esteja gerando fortes ondas gravitacionais, diz Mingarelli, como mecanismos previstos pela teoria das cordas ou explicações alternativas para o nascimento do universo. “O que vem a seguir é tudo”, diz ela. “Este é apenas o começo.”

Uma experiência em toda a galáxia

Chegar a esse ponto tem sido um desafio para a equipe NANOGrav há anos. As ondas gravitacionais que eles pegaram são diferentes de tudo medido anteriormente. Ao contrário das ondas de alta frequência detectadas por instrumentos terrestres como o LIGO e o Virgo, o fundo da onda gravitacional é composto por ondas de frequência ultra-alta. A ascensão e queda de uma onda pode levar anos ou mesmo décadas. Como as ondas gravitacionais viajam na velocidade da luz, um comprimento de onda individual pode ter dezenas de anos-luz.

Nenhum experimento na Terra poderia detectar ondas tão massivas, então a equipe do NANOGrav olhou para as estrelas. Eles observaram de perto os pulsares, os remanescentes ultradensos de estrelas massivas que se tornaram supernovas. Os pulsares agem como faróis estelares, disparando feixes de ondas de rádio de seus pólos magnéticos. Como os pulsares giram tão rapidamente (às vezes centenas de vezes por segundo), esses feixes varrem o céu, aparecendo de nossa localização na Terra como pulsos rítmicos de ondas de rádio.

Os pulsos atingem o solo como um metrônomo de tempo perfeito. O tempo é tão preciso que, quando Jocelyn Bell mediu as primeiras ondas de rádio em 1967, os astrônomos pensaram que poderiam ser sinais de uma civilização alienígena.

Quando uma onda gravitacional passa entre nós e o pulsar, ela altera o tempo da onda de rádio. Isso ocorre porque, como previu Albert Einstein, as ondas gravitacionais se estendem e comprimem o espaço à medida que ondulam pelo universo, alterando a distância que as ondas de rádio devem percorrer.

Por 15 anos, cientistas NANOGrav dos Estados Unidos e Canadá têm cronometrado pulsos de ondas de rádio de dezenas de pulsares de milissegundos em nossa galáxia usando o Observatório de Arecibo em Porto Rico, o Green Bank Telescope em West Virginia e o Very Large Array no Novo México. As novas descobertas são o resultado de uma análise detalhada de um grupo de 67 pulsares.

“Os pulsares são na verdade fontes de rádio muito fracas, então precisamos de milhares de horas por ano nos maiores telescópios do mundo para fazer esse experimento”, diz Maura McLaughlin, da West Virginia University, codiretora do Physics Frontiers Nanograph Center. “Essas descobertas são possíveis graças ao compromisso contínuo da National Science Foundation (NSF) com esses observatórios de rádio altamente sensíveis”.

Detecção de fundo

Em 2020, com pouco mais de 12 anos de dados, os cientistas do NANOGrav começaram a ver indícios de um sinal, um “zumbido” extra comum ao comportamento de temporização de todos os pulsares da matriz. Agora, após três anos de observações adicionais, eles acumularam evidências tangíveis da existência da onda gravitacional de fundo.

“Agora que temos evidências de ondas gravitacionais, o próximo passo é usar nossas observações para estudar as fontes que produzem esse zumbido”, diz Sarah Vigeland, da Universidade de Wisconsin-Milwaukee, presidente do NANOGrav Detection Working Group.

As fontes mais prováveis ​​de fundo de ondas gravitacionais são pares de buracos negros supermassivos capturados em uma espiral da morte. Esses buracos negros são realmente massivos, contendo bilhões da massa do sol. Quase todas as galáxias, incluindo a nossa própria Via Láctea, têm pelo menos uma galáxia gigante em seu núcleo. Quando duas galáxias se fundem, buracos negros supermassivos podem se encontrar e começar a orbitar um ao outro. Com o tempo, suas órbitas se estreitam à medida que o gás e as estrelas passam entre os buracos negros e roubam energia.

Eventualmente, os buracos negros supermassivos chegam tão perto que o roubo de energia para. Alguns estudos teóricos argumentam há décadas que os buracos negros colidem indefinidamente quando são separados por um parsec (cerca de três anos-luz). Essa teoria da proximidade, mas não do charuto, ficou conhecida como o último problema do parsec. Nesse cenário, apenas raras combinações de três ou mais buracos negros supermassivos levam a fusões.

No entanto, pares de buracos negros supermassivos podem ter um truque na manga. Eles podem emitir energia como poderosas ondas gravitacionais enquanto orbitam um ao outro até que eventualmente colidam em uma conclusão catastrófica. “Uma vez que dois buracos negros se aproximam o suficiente para serem vistos por matrizes de tempo de pulsar, nada pode impedi-los de se fundir em apenas alguns milhões de anos”, diz Luke Kelley, da Universidade da Califórnia, Berkeley, líder do grupo de astrofísica NANOGrav.

A existência da onda gravitacional de fundo encontrada pelo NANOGrav parece apoiar essa previsão, o que poderia acabar com o recente problema do parsec.

Como pares de buracos negros supermassivos são formados por fusões de galáxias, sua abundância de ondas gravitacionais ajudará os cosmólogos a estimar com que frequência as galáxias colidem ao longo da história do universo. Mingarelli, a pesquisadora de pós-doutorado Deborah C. Judd do CCA e da Universidade de Connecticut e seus colegas estudaram a intensidade da onda gravitacional de fundo. Eles estimam que centenas de milhares ou talvez um milhão ou mais binários de buracos negros supermassivos populam o universo.

fontes alternativas

Nem todas as ondas gravitacionais detectadas pelo NANOGrav são necessariamente de pares de buracos negros supermassivos. Outras propostas teóricas também prevêem ondas na faixa de frequência muito baixa. A teoria das cordas prevê, por exemplo, que falhas unidimensionais chamadas cordas cósmicas podem ter se formado no início do universo. Essas cordas podem dissipar energia emitindo ondas gravitacionais. Outra sugestão é que o universo começou não com o Big Bang, mas sim com o Big Bounce, no qual o universo negativo entrou em colapso sobre si mesmo antes de se expandir para fora. Em tal história de origem, as ondas gravitacionais do acidente ainda se espalhariam pelo espaço-tempo.

Há também a possibilidade de que os pulsares não sejam os detectores de ondas gravitacionais perfeitos que os cientistas pensam que são e que, em vez disso, possam ter alguma assimetria desconhecida distorcendo os resultados do NANOGrav. “Não podemos ir até um pulsar e ligá-lo e desligá-lo novamente para ver se algo está errado”, diz Mingarelli.

A equipe do NANOGrav espera explorar todos os possíveis contribuintes para o recém-descoberto fundo de ondas gravitacionais enquanto continuam monitorando os pulsares. O grupo planeja quebrar o fundo com base na frequência das ondas e sua origem no céu.

esforço internacional

Felizmente, a equipe NANOGrav não está sozinha em sua busca. Vários artigos publicados hoje por colaborações usando telescópios na Europa, Índia, China e Austrália apontam para os mesmos sinais de fundo de ondas gravitacionais em seus dados. Por meio do consórcio International Pulsar Timing Matrix, grupos individuais agrupam seus dados para melhor caracterizar o sinal e identificar suas fontes.

“Nossos dados combinados serão ainda mais poderosos”, diz Stephen Taylor, da Vanderbilt University, que co-liderou a nova pesquisa e atualmente preside a colaboração NANOGrav. “Estamos empolgados para descobrir os segredos que eles revelarão sobre nosso universo.”