Telescópio Einstein: Sirenes Padrões e o futuro da detecção de ondas gravitacionais

Desde o primeiro anúncio de detecção direta de ondas gravitacionais, feito em 2015, pelo LIGO (sigla em inglês para The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ), instalou-se no ambiente científico uma corrida teórica e observacional para o melhor uso da tecnologia atualmente disponível.  Nesse sentido, especialistas vêm trabalhando cada vez mais no refinamento de análises cosmológicas, criando assim novas possibilidades de estudo do universo.  É o caso do artigo “Cosmografia com Sirenes Padrões a partir do Telescópio Einstein”, dos autores Josiel Mendonça , Riccardo Sturani e Jailson Alcaniz , publicado no Journal of Cosmology and Astroparticle Physics .

O estudo propõe estimar a precisão na medida dos parâmetros cosmográficos a partir das observações de sirenes padrões de estrelas de nêutrons com o auxílio do Telescópio Einstein. Para tanto, a análise concentra-se na constante de Hubble H 0 , que representa a taxa atual da expansão do universo. Com medidas confiáveis dessa constante, é possível inferir várias outras quantidades cosmológicas como, por exemplo, a idade do universo.

No artigo, as estimativas de H 0 são estudadas através das relações entre distâncias e redshifts ("desvio para o vermelho", em português, que é um indicador de velocidade de recessão, ou afastamento, de um objeto em relação ao observador). Com a expansão cosmológica, objetos mais distantes tendem apresentar um comprimento de onda maior, ou seja, um desvio maior para a luz vermelha.

Vale ressaltar que, até 2015, as informações sobre o universo eram obtidas somente a partir de sinais eletromagnéticos oriundos de objetos como, por exemplo, supernovas, galáxias e quasares. Com as detecções de ondas gravitacionais, podemos acrescentar à lista as sirenes padrões.

Por dentro das ondas gravitacionais …

Ondas gravitacionais são ondulações no tecido espaço-tempo produzidas pela interação de objetos compactos, tais como: buracos negros (uma região do espaço-tempo causada por uma massa extremamente compacta onde a gravidade é tão intensa que impede que qualquer coisa escape, incluindo a luz)  e estrelas de nêutrons (objeto extremamente denso remanescente da explosão de estrela massiva).

O fenômeno foi previsto por Albert Einstein há mais de 100 anos (mais precisamente em 1916) e comprovado experimentalmente através do evento extraordinário de 2015, que envolveu a fusão de dois buracos negros em 14 de setembro daquele ano e ficou conhecido como GW150914 (note que a nomeação está associada à data de detecção, sendo “GW” a abreviação do termo em inglês “ gravitational waves ”, que significa ondas gravitacionais).

Concepção artística da formação de ondas gravitacionais pela colisão de dois buracos negros./ Créditos: LIGO/T. Pyle.

Logo após essa data, outros eventos da mesma natureza foram detectados. Ao que se sabe, o ciclo de sinais gerados tão somente por buracos negros só foi rompido em 2017, quando cientistas conseguiram também detectar sinais de ondas gravitacionais a partir da da colisão de um sistema binário de estrelas de nêutrons. O evento GW170817 tornou-se o primeiro de fonte visível, o que facilitou o reconhecimento visual da área da explosão. Pensando nas possibilidades observacionais, o artigo se volta para os eventos de sirenes padrões brilhantes.

Mas afinal, o que são sirenes padrões?

As sirenes padrões estão relacionadas aos eventos de ondas gravitacionais.  Entre os autores do artigo, o diretor do Observatório Nacional, Jailson Alcaniz, fala da relação das sirenes padrões com a localização de um determinado evento e aponta suas particularidades:

“Uma analogia bastante utilizada é a seguinte: imagine que você esteja em um quarto quando uma lâmpada explode. O barulho e o instante que antecede o corte do fluxo da luz vão te direcionar para o local exato da explosão. Agora, se você está em um outro cômodo da casa e ouve o som de uma lâmpada explodindo, provavelmente você vai olhar na direção correta, mas não terá certeza do local exato da explosão.”

Conforme o termo foi ganhando notoriedade, estudiosos passaram a classificar os eventos em duas categorias: sirenes padrões brilhantes e sirenes padrões escuras. As chamadas sirenes padrões brilhantes referem-se às fontes de ondas gravitacionais combinadas com as ondas eletromagnéticas e são resultantes da colisão de duas estrelas de nêutrons. Já as sirenes padrões escuras são provenientes da colisão de dois buracos negros e, portanto, sem emissão de luz.

Registro do evento GW170817. Nas imagens, a região da galáxia NGC 4993 em que ocorreu a colisão das duas estrelas de nêutrons. / Crédito: Soares-Santos et al. e Colaboração DES.

Na onda dos instrumentos…

Atualmente, existem diferentes tipos de detectores. Os mais conhecidos são o LIGO (EUA), Virgo (Itália) e KAGRA (Japão). Para o futuro, teremos detectores como o espacial LISA e os terrestres, Cosmic Explorer e, é claro, o Telescópio Einstein, objeto da pesquisa.  O físico Josiel Mendonça, doutorando em Física pela UFRN, explica a importância do instrumento para as suas medidas cosmológicas:  “Os detectores de ondas gravitacionais atuais -  LIGO, Virgo e KAGRA - são precisos em detectar sirenes padrões brilhantes até  z ~ 0.1, onde z, chamado de redshift é um indicador de distância. Já o Telescópio Einstein pode detectar esses sistemas em z ~ 6, ou seja, podendo alcançar distâncias muito maiores. E, quanto mais longe, mais informações podemos extrair sobre a evolução do Universo.”

Ainda segundo o autor, o estudo propõe “uma previsão sobre as medidas de parâmetros cosmológicos alcançadas com o Telescópio Einstein a partir das detecções de sirenes padrões brilhantes''. Um dos objetivos do estudo é calcular quantas detecções seriam necessárias para obter medidas de H 0 semelhantes àquelas utilizando as observações atuais de supernovas, que fornecem os melhores resultados atualmente. A análise aponta que este número gira em torno de algumas centenas de detecções, o que deverá ser atingido nos próximos anos com a entrada em operação da nova geração de detectores.

Leia o artigo completo, clique em: Cosmografia com Sirenes Padrões a partir do Telescópio Einstein .