Como ondas gravitacionais podem ajudar a cosmologia fundamental

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Novas observações podem nos ajudar a entender as discrepâncias nas medições da expansão do Universo.

Editorial Nature1

A cosmologia já percorreu um longo caminho desde que Edwin Hubble determinou a taxa de expansão cósmica há cerca de 90 anos. Desde a década de 1990, várias técnicas independentes convergiram para valores muito inferiores aos do Hubble. Eles diferem em menos de 10%, mas as diferenças parecem ser estatisticamente significativas (3,7 de desvio padrão). Técnicas inovadoras, incluindo a detecção de ondas gravitacionais oriundas de colisões estelares, como a que os astrônomos testemunharam em agosto passado, devem resolver a questão nos próximos anos. A resposta pode conter alguma física nova e inesperada.

Em nosso Universo em expansão, a taxa de recessão de uma galáxia em relação à nossa pode ser facilmente medida a partir de seu desvio para o vermelho — o quanto suas ondas de luz se estendem à medida que viajam, devido à expansão do espaço intermediário. A parte difícil é medir a distância da galáxia. Com suas primeiras técnicas, Hubble descobriu que a maioria das galáxias parece recuar a uma taxa proporcional a sua distância. Sua “constante de Hubble” quantifica essa proporção. As modernas observações de hoje sugerem que, em média, as velocidades das galáxias aumentam 73,5 quilômetros por segundo para cada megaparsec (3,26 milhões de anos-luz) de distância. Assim, por exemplo, as galáxias a 100 megaparsecs de distância recuam em torno de 7.350 km s-1.
Este valor da constante de Hubble vem da observação de estrelas que atuam como velas padrões.

Essas têm um brilho intrínseco conhecido, pelo que a sua distância pode ser estimada a partir do brilho que apresentam no céu. Mas o valor de 73,5 colide com os 66,9 estimados de 20152 pelos cosmologistas que mapearam a radiação cósmica de fundo de micro-ondas — a radiação relíquia do Big Bang — usando o observatório Planck da Agência Espacial Europeia (ESA). A discrepância ainda pode ser causada por artefatos desconhecidos das técnicas de medição, mas ambos os campos dizem que estão cada vez mais confiantes em seus resultados.

A estimativa de Planck se baseia no que é conhecido como o modelo padrão da cosmologia. Faz suposições sobre a composição do Universo e, em particular, o conteúdo da matéria escura e a natureza da energia escura, o misterioso condutor da aceleração da expansão cósmica. Assim, se a discrepância se sustentar, poderia apontar para uma física inteiramente nova, implicando que a matéria escura é mais estranha do que os físicos haviam assumido, ou que os efeitos da energia escura mudam com o tempo.

Por outro lado, alguns se perguntam se as velas padrões podem não ser tão confiáveis ​​quanto os astrônomos pensam. Este mês, outra missão da ESA, o telescópio Gaia, irá lançar um mapa 3D da Via Láctea que tem precisão e profundidade sem precedentes, e ajudará os astrônomos a testar a fiabilidade destes sinais cósmicos. Mas, idealmente, os astrônomos gostariam de ter formas mais diretas de medir distâncias fora da nossa galáxia.

Acrescente ondas gravitacionais. Elas estão prontas para enfrentar alguns desafios astronômicos clássicos com novas evidências fortes, como descrito em uma News Feature nesta semana3. As ondas gravitacionais também podem ajudar a resolver os problemas em torno da expansão cósmica. Advertência: essas possibilidades são especulativas e controversas.

Quando duas órbitas cósmicas — como as estrelas de nêutrons vistas se fundindo em agosto passado — entram em espiral umas nas outras, elas emitem ondas gravitacionais que transportam informações sobre sua distância, constituindo uma “sirene padrão”4. Isso permitiu aos físicos do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser5 (LIGO, do inglês Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), baseado nos EUA, calcular a constante de Hubble. Eles obtiveram um valor de 70, bem no meio das estimativas com velas padrões e com a radiação cósmicas de fundo em micro-ondas. Os dados do LIGO têm uma grande margem de erro, mas, à medida que os pesquisadores coletam mais desses eventos, os resultados podem acabar se inclinando para um valor ou para outro.

Simulação artística da colisão e fusão de dois buracos negros que produz as ondas gravitacionais, detectadas pela primeira detecção de ondas pelo LIGO em fevereiro de 2016.

Em última análise, as ondas gravitacionais poderiam permitir aos pesquisadores medir não apenas a expansão cósmica atual, mas também como a taxa de expansão evoluiu ao longo das eras. Dois dos próximos projetos da ESA ajudarão enormemente, especialmente se eles começarem a voar ao mesmo tempo, como muitos pesquisadores esperam. O detector de ondas gravitacionais LISA6 (Laser Interferometer Space Antenna ou Antena Espacial por Interferômetro a Laser) deve detectar fusões de buracos negros7 em toda a história do Universo. E alguns astrônomos antecipam que o observatório de raios-X Athena8 (do inglês Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics ou Telescópio Avançado para Astrofísica de Alta Energia) pode captar fótons dos mesmos eventos e ajudar os pesquisadores a encontrar os redshifts das galáxias correspondentes — embora outros considerem isso um tiro no escuro.

O mapeamento de sirenes padrões desta maneira deve esclarecer a natureza da energia escura — a meta mais cobiçada dos cosmólogos. Eles esperam que ela forneça dicas sobre o futuro do Universo. As previsões para um futuro infinitamente duradouro transcendem a esfera da ciência. Mas os cosmólogos ainda podem descobrir se a expansão cósmica continuará a acelerar no futuro previsível, ou se essa aceleração pode aumentar, parar ou reverter.

Referências:

  1. How gravitational waves might help fundamental cosmology. Nature 556, 149-150 (2018). doi: 10.1038/d41586-018-04321-y;
  2. PEPLOW M. Planck telescope peers into primordial Universe. Nature, 2013. doi:10.1038/nature.2013.12658;
  3. CASTELVECCHI D. How gravitational waves could solve some of the Universe’s deepest mysteries. Nature 556, 164-168 (2018). doi: 10.1038/d41586-018-04157-6;
  4. Siren call. Nature 531, 413–414 (24 March 2016) doi:10.1038/531413b;
  5. LIGO – Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory. https://www.ligo.caltech.edu/;
  6. NASA. https://lisa.nasa.gov/;
  7. LISA, News; ESA. http://sci.esa.int/lisa;
  8. Athena, News. ESA. http://sci.esa.int/athena.
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