CIENTISTAS DE ONDAS GRAVITACIONAIS PROPÕEM UM NOVO MÉTODO PARA REFINAR A CONSTANTE DE HUBBLE 7 de maio de 2021
Impressão de artista de um par de estrelas de neutrões em fusão.
Crédito: Carl Knox, OzGrav-Universidade de Swinburne
Uma equipa internacional de cientistas, liderada pelo IGFAE (Instituto Galego de Física de Altas Enerxías) e pelo OzGrav (ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery), propôs um método simples e inovador para melhorar a precisão das medições da constante de Hubble até 2%, usando uma única observação de um par de estrelas de neutrões em fusão.
O Universo está em expansão contínua. Por causa disto, objetos distantes, como galáxias, afastam-se de nós. Na verdade, quanto mais longe estão, mais depressa se movem. Os cientistas descrevem esta expansão por meio de um número famoso conhecido como constante de Hubble, que nos diz quão depressa os objetos no Universo se afastam de nós dependendo da sua distância. Ao medir a constante de Hubble de maneira precisa, também podemos determinar algumas das propriedades mais fundamentais do Universo, incluindo a sua idade.
Durante décadas, os cientistas mediram a constante de Hubble com cada vez mais precisão, recolhendo sinais eletromagnéticos emitidos por todo o Universo, mas chegando a um resultado desafiante: as duas melhores medições atuais fornecem resultados inconsistentes. Desde 2015 que os cientistas têm tentado enfrentar este 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 informações sobre o Universo. São emitidas durante a colisão de duas estrelas de neutrões - os núcleos densos de estrelas colapsadas - e podem ajudar os cientistas a olhar mais profundamente o mistério da constante de Hubble.
Ao contrário dos buracos negros, as estrelas de neutrões em fusão produzem ondas gravitacionais e eletromagnéticas, como raios-X, ondas de rádio e luz visível. Embora as ondas gravitacionais possam medir a distância das estrelas de neutrões em fusão à Terra, as ondas eletromagnéticas podem medir a velocidade com que toda a sua galáxia se afasta da Terra. Isto cria uma nova maneira de medir a constante de Hubble. No entanto, mesmo com a ajuda das ondas gravitacionais, ainda é complicado medir a distância às estrelas de neutrões em fusão - 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.
Num artigo publicado recentemente na revista The Astrophysical Journal Letters, uma equipa de cientistas liderada pelo OzGrav (ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery) e pelo professor Juan Calderón Bustillo atualmente no IGFAE (Instituto Galego de Física de Altas Enerxías, da Universidade de Santiago de Compostela, Espanha), propôs um método simples e inovador para melhorar a precisão destas medições até 2% usando uma única observação de um par de estrelas de neutrões em fusão.
De acordo com o professor Calderón Bustillo, é difícil interpretar a que distância estas fusões ocorrem porque "atualmente, não podemos dizer se o binário está muito longe e voltado para a Terra, ou se está muito mais perto, com a Terra no seu plano orbital". Para decidir entre os dois cenários, a equipa propôs-se estudar componentes secundários e muito mais fracos dos sinais de ondas gravitacionais emitidos por fusões de estrelas de neutrões, conhecidos como modos superiores. "Assim como uma orquestra toca instrumentos diferentes, as fusões de estrelas de neutrões emitem ondas gravitacionais por meio de diferentes modos," explica. "Quando as estrelas de neutrões em fusão estão voltadas para nós, só podemos ouvir o instrumento mais alto. No entanto, se estivermos perto do plano orbital da fusão, podemos também ouvir os secundários. Isto permite-nos determinar a inclinação da fusão e medir melhor a distância."
No entanto, o método não é completamente novo: "Sabemos que isto funciona bem para o caso de fusões de buracos negros muito massivos porque os nossos detetores atuais podem registar o instante da fusão quando os modos superiores são mais proeminentes. Mas, no caso das estrelas de neutrões, o tom do sinal de fusão é tão alto que os nossos detetores não o conseguem registar. Só podemos registar as órbitas anteriores," diz o professor Calderón Bustillo. Os futuros detetores de ondas gravitacionais, como o proposto projeto australiano NEMO, serão capazes de aceder ao estágio de fusão das estrelas de neutrões. "Quando duas estrelas de neutrões se fundem, a física nuclear que rege a sua matéria pode provocar sinais muito ricos que, se detetados, podem permitir saber exatamente onde a Terra está em relação ao plano orbital da fusão," diz o coautor e investigador-chefe do OzGrav, o Dr. Paul Lasky, da Universidade Monash, Austrália. O Dr. Lasky também é um dos líderes do projeto NEMO. "Um detetor como o NEMO pode detetar estes sinais ricos," acrescenta.
No seu estudo, a equipa realizou simulações de computador de fusões de estrelas de neutrões que podem revelar o efeito da física nuclear das estrelas nas ondas gravitacionais. Estudando estas simulações, a equipa determinou que um detetor como o NEMO poderá medir a constante de Hubble com uma precisão de 2%. O coautor do estudo, o professor Tim Dietrich, da Universidade de Potsdam, Alemanha, diz: "Descobrimos que pequenos detalhes que descrevem a forma como os neutrões se comportam dentro da estrela produzem assinaturas subtis nas ondas gravitacionais que podem ajudar muito na determinação do ritmo de expansão do Universo. É fascinante ver como efeitos à escala nuclear mais pequena podem inferir o que acontece na maior escala cosmológica possível."
Samson Leong, estudante na Universidade Chinesa de Hong Kong e coautor do estudo, salienta que "uma das coisas mais interessantes sobre o nosso resultado é que obtivemos uma grande melhoria enquanto considerando um cenário bastante conservador. Embora o NEMO seja, de facto, sensível à emissão de estrelas de neutrões em fusão, detetores mais evoluídos como o Telescópio Einstein ou o Cosmic Explorer serão ainda mais sensíveis, permitindo-nos medir a expansão do Universo com uma precisão ainda melhor!".
Uma das implicações mais importantes deste estudo é que poderia determinar se o Universo está a expandir-se 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 produziria uma estimativa muito precisa da 'sua própria constante de Hubble', permitindo-nos testar se esta é realmente uma constante ou se varia ao longo do espaço e do tempo."
