Estudo brasileiro mostra como ondas gravitacionais podem desvendar a expansão do Universo

Um estudo desenvolvido por pesquisadores do Observatório Nacional (ON), unidade de pesquisa do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI), em colaboração com a Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro (UFRRJ), avaliou a capacidade de observatórios de ondas gravitacionais de medir a taxa de expansão do Universo. O trabalho, publicado no periódico científico internacional Physics of the Dark Universe, tem como autor principal o doutorando Jonathan Morais, que desenvolveu a pesquisa durante seu mestrado no ON sob orientação do Prof. Jailson Alcaniz (ON), em colaboração com o Dr. Rodrigo Gonçalves (UFRRJ/ON).

A pesquisa analisou o desempenho de detectores atuais, como o Advanced LIGO, e de projetos de observatórios futuros, como o Einstein Telescope e o DECIGO, na medição de parâmetros cosmográficos utilizando as chamadas sirenes padrão brilhantes. “Na astronomia, esses eventos funcionam como sirenes cósmicas: ao analisar a forma e a intensidade do sinal de uma onda gravitacional, é possível estimar diretamente a distância até o evento que a produziu”, afirmou Jonathan. 

Previstas por Albert Einstein na Teoria da Relatividade Geral (1915), exatos 10 anos antes de o cientista visitar o ON, as ondas gravitacionais são perturbações no próprio tecido do espaço-tempo produzidas, por exemplo, quando objetos muito massivos, como buracos negros e estrelas de nêutrons, orbitam e se fundem. A primeira detecção direta delas ocorreu em 2015, abrindo novas fronteiras para a astronomia observacional. 

Representação artística das ondas gravitacionais geradas por um sistema binário de estrelas de nêutrons durante sua órbita. Fonte: Caltech/LIGO

A tensão de Hubble e a cosmografia

Para entender a importância da pesquisa, é preciso voltar à década de 1920, quando o físico e astrônomo belga Georges Lemaître e o astrônomo americano Edwin Hubble apresentaram, de forma independente, evidências de que o Universo está em expansão, estabelecendo uma relação entre a velocidade de afastamento das galáxias e suas distâncias até o observador. Essa relação é conhecida como Lei de Hubble-Lemaître, enquanto o parâmetro que mede a taxa de expansão atual do Universo é denominado constante de Hubble (H₀), em homenagem ao astrônomo americano, que também dá nome ao Telescópio Espacial Hubble.

Atualmente, a cosmologia enfrenta uma questão importante, conhecida como tensão de Hubble, que consiste em uma discrepância significativa entre os valores obtidos para a taxa de expansão atual do Universo por diferentes métodos de investigação. 

As estimativas baseadas na física do universo primordial (utilizando dados de satélites como o Planck e assumindo o modelo cosmológico padrão) apontam para um valor menor do que aquele obtido a partir de observações de estrelas variáveis do tipo Cefeida e supernovas do tipo Ia, utilizadas para determinar distâncias no Universo relativamente próximo.

Em termos numéricos, os dados do Planck indicam um valor de aproximadamente 67,44 ± 0,50 km/s/Mpc para a constante de Hubble, enquanto as medições realizadas no universo próximo apontam para cerca de 73,17 ± 0,86 km/s/Mpc. A diferença entre os dois resultados, de aproximadamente 9%, é significativamente maior do que a esperada considerando as incertezas das medições e permanece como um dos principais desafios da cosmologia moderna, podendo indicar a existência de uma nova física ainda não contemplada pelo modelo cosmológico padrão.

Para estimar a taxa de expansão sem depender diretamente de um modelo cosmológico teórico específico, a equipe utilizou a cosmografia, técnica que descreve a história da expansão por meio de ferramentas matemáticas puramente cinemáticas.

Representação artística da fusão de duas estrelas de nêutrons, evento capaz de produzir ondas gravitacionais e sinais eletromagnéticos. Fonte: NASA’s Goddard Space Flight Center/CI Lab.

"Meu trabalho é também sobre cosmografia, que é uma maneira de estudar e descrever a expansão do Universo sem depender de um modelo cosmológico específico. Entre os parâmetros que podemos inferir está a constante de Hubble (H₀), que está relacionada à taxa de expansão atual do Universo", explicou o MSc. Jonathan. "Hoje existe a chamada tensão de Hubble, um dos principais problemas da cosmologia atual. Basicamente, diferentes formas de medir H₀ chegam a valores que não concordam completamente entre si. Ainda não sabemos se essa diferença vem de algum efeito sistemático nas observações ou se pode ser um indício de que nossa descrição atual do Universo ainda é incompleta", acrescentou.

Ondas gravitacionais e as sirenes padrão brilhantes

As ondas gravitacionais geradas pela fusão de objetos compactos (como estrelas de nêutrons e buracos negros) fornecem uma forma de determinar distâncias astronômicas diretamente do sinal recebido. Quando o evento vem acompanhado de um sinal luminoso (contraparte eletromagnética), os astrônomos conseguem identificar a galáxia hospedeira e medir o desvio para o vermelho (redshift). Eventos que contam com essas duas informações são chamados de sirenes brilhantes.

"As ondas gravitacionais são interessantes nesse contexto porque fornecem uma maneira independente de medir distâncias. A própria forma do sinal de onda gravitacional permite estimar diretamente a distância até a fonte, sem depender da sequência de calibrações de distância utilizada em vários métodos tradicionais", destacou o MSc. Jonathan.

"No meu trabalho, também faço simulações computacionais de futuras detecções de ondas gravitacionais com contraparte eletromagnética para os detectores do Advanced LIGO, Einstein Telescope e DECIGO. Ou seja, casos em que, além da onda gravitacional, conseguiremos identificar algum sinal eletromagnético associado ao evento e, com isso, obter também o redshift da fonte e estimativas de H₀", detalhou.

Simulação da fusão entre dois buracos negros. Fonte: LIGO Lab Caltech : MIT

Perspectivas para a área

A evolução do número de detecções e a entrada em operação da próxima geração de observatórios terrestres e espaciais devem permitir testar a taxa de expansão do Universo de forma independente dos métodos ópticos tradicionais.

Os resultados do estudo mostram que as sirenes brilhantes podem se tornar uma ferramenta muito precisa para medir a constante de Hubble. Com o aumento do número de detecções e, principalmente, com a próxima geração de observatórios, essas medidas poderão alcançar precisão suficiente para ajudar a distinguir entre os diferentes valores de H₀ atualmente em conflito.

"Já existem hoje medidas de H₀ com ondas gravitacionais, inclusive por meio das chamadas dark sirens (sirenes escuras), em que não há uma contraparte eletromagnética claramente identificada. Mas as incertezas ainda são relativamente grandes e, por enquanto, essas medidas não têm precisão suficiente para esclarecer a tensão de Hubble. Com o aumento do número de detecções, com o uso de sirenes brilhantes e com as próximas gerações de detectores, esse cenário pode melhorar bastante", concluiu.

"Este trabalho, desenvolvido por Jonathan durante seu mestrado no ON, representa uma contribuição importante para o uso de ondas gravitacionais em cosmologia. Ao combinar sirenes padrão brilhantes com uma abordagem cosmográfica, o estudo permite avaliar o potencial de diferentes gerações de detectores para determinar parâmetros cosmológicos, como a constante de Hubble e o parâmetro de desaceleração, de forma independente dos métodos tradicionais e de modelos cosmológicos específicos. Os resultados mostram que as futuras observações de ondas gravitacionais poderão desempenhar um papel fundamental na investigação da tensão de Hubble, contribuindo para esclarecer se essa discrepância está associada a efeitos sistemáticos nas medições ou se representa um indício de uma nova física", destacou o Prof. Jailson Alcaniz, orientador do estudo.

Glossário:

Cosmografia: Abordagem cinemática para descrever a expansão do Universo reduzindo a dependência de modelos cosmológicos teóricos.

Constante de Hubble (H₀): Parâmetro que indica a taxa atual de expansão do Universo.

Megaparsec (Mpc): Unidade de distância utilizada na astronomia, equivalente a aproximadamente 3,26 milhões de anos-luz.

Redshift: Desvio para o vermelho da luz emitida por um objeto distante em decorrência da expansão do espaço.

Sirenes Padrão: Fontes de ondas gravitacionais provenientes da fusão de corpos compactos, utilizadas para medição direta de distâncias no cosmos.

Tensão de Hubble: Divergência entre os valores da constante de Hubble calculados a partir de observações do Universo primordial e do Universo local. 

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