4953: Pesquisa por ondas gravitacionais encontra novas pistas tantalizantes

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Esta ilustração mostra o projeto NANOGrav a observar objetos cósmicos chamados pulsares num esforço de detetar ondas gravitacionais.
Crédito: NANOGrav/T. Klein

Uma equipa internacional de cientistas pode estar perto de detectar leves ondulações no espaço-tempo que preenchem o Universo.

Pares de buracos negros milhares de milhões de vezes mais massivos do que o Sol podem estar a orbitar-se uns aos outros, gerando ondulações no próprio espaço. O NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) passou mais de uma década a usar radiotelescópios terrestres para procurar evidências destas ondulações no espaço-tempo criadas por buracos negros monstruosos. Esta semana, o projecto anunciou a detecção de um sinal que pode ser atribuído a ondas gravitacionais, embora os membros ainda não estejam prontos para reivindicar sucesso.

As ondas gravitacionais foram teorizadas pela primeira vez por Albert Einstein em 1916, mas só foram detectadas directamente quase um século depois. Einstein mostrou que, em vez de ser um plano de fundo rígido para o Universo, o espaço é um tecido flexível que é deformado e curvado por objectos massivos e inextricavelmente ligado ao tempo. Em 2015, uma colaboração entre o norte-americano LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) e o interferómetro Virgo na Europa anunciou a primeira deteção directa de ondas gravitacionais: eram emanadas por dois buracos negros – cada com aproximadamente 30 vezes a massa do Sol – que se orbitavam um ao outro e que depois se fundiram.

Num novo artigo publicado na edição de Janeiro de 2021 da revista The Astrophysical Journal Supplements, o projecto NANOGrav relata a detecção de flutuações inexplicáveis, consistentes com os efeitos das ondas gravitacionais, no “timing” de 45 pulsares espalhados pelo céu e medidos ao longo de um período de 12 anos e meio.

Os pulsares são “pepitas” densas de material que sobram da explosão de uma estrela como super-nova. Vistos da Terra, os pulsares parecem piscar. Na realidade, a luz vem de dois feixes constantes que emanam de lados opostos do pulsar enquanto este gira, como um farol. Se as ondas gravitacionais passarem entre um pulsar e a Terra, o alongamento e a compressão subtis do espaço-tempo parecem introduzir um pequeno desvio no tempo regular do pulsar. Mas este efeito é subtil, e mais de uma dúzia de outros factores também influenciam o “timing” do pulsar. Uma parte importante do trabalho feito pelo NANOGrav é a subtracção desses factores dos dados para cada pulsar antes de procurar sinais de ondas gravitacionais.

O LIGO e o Virgo detectam ondas gravitacionais de pares individuais de buracos negros (ou outros objectos densos chamados estrelas de neutrões). Em contraste, o NANOGrav está à procura de um “fundo” persistente de ondas gravitacionais, ou a combinação ruidosa de ondas criadas ao longo de milhares de milhões de anos por incontáveis pares de buracos negros super-massivos espalhados pelo Universo. Estes objectos produzem ondas gravitacionais com comprimentos de onda muito maiores do que aqueles detectados pelo LIGO e Virgo – tão longas que podem ser necessários anos para uma única onda gravitacional passar por um detector estacionário. Portanto, embora o LIGO e o Virgo possam detectar milhares de ondas por segundo, a missão do NANOGrav requer anos de dados.

Por mais tantalizante que o último achado seja, a equipa do NANOGrav não está pronta para afirmar que encontrou evidências de um fundo de ondas gravitacionais. Porquê a hesitação? Para confirmar a detecção directa de uma assinatura de ondas gravitacionais, os investigadores do NANOGrav terão que encontrar um padrão distinto nos sinais entre pulsares individuais. De acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein, o efeito do fundo de ondas gravitacionais deve influenciar o “timing” dos pulsares de maneira ligeiramente diferente com base nas suas posições em relação uns aos outros.

Actualmente, o sinal é demasiado fraco para que tal padrão seja distinguível. O aumento do sinal exigirá que o NANOGrav expanda o seu conjunto de dados para incluir mais pulsares estudados por períodos de tempo ainda mais longos, o que aumentará a sensibilidade da rede de radiotelescópios. O NANOGrav também está a juntar os seus dados aos dados de outras experiências de “timing” de pulsares num esforço conjunto do IPTA (International Pulsar Timing Array), uma colaboração de investigadores que usa os maiores radiotelescópios do mundo.

“Tentar detectar ondas gravitacionais com uma rede de ‘timing’ de pulsares requer paciência,” disse Scott Ransom do NRAO (National Radio Astronomy Observatory) e actual presidente do NANOGrav. “De momento estamos a analisar mais de uma dúzia de anos de dados, mas uma detecção definitiva provavelmente levará mais alguns. É óptimo que estes novos resultados sejam exactamente o que esperaríamos ver à medida que nos aproximamos de uma detecção.”

A equipa do NANOGrav discutiu as suas descobertas numa conferência de imprensa dia 11 de Janeiro na 237.ª reunião da Sociedade Astronómica Americana, realizada virtualmente entre os dias 10 e 15 de Janeiro. Michele Vallisneri e Joseph Lazio, ambos astrofísicos do JPL da NASA no sul da Califórnia, e Zaven Arzoumanian do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA, no estado norte-americano de Maryland, são co-autores do estudo. Joseph Simon, investigador na Universidade do Colorado, em Boulder, e autor principal do artigo, realizou grande parte da análise do artigo como investigador pós-doutorado no JPL. O NANOGrav é uma colaboração entre astrofísicos dos EUA e do Canadá. Os dados do novo estudo foram recolhidos usando o GBT (Green Bank Telescope), no estado da Virgínia Ocidental, e a antena de Arecibo em Porto Rico antes do seu recente colapso.

Astronomia On-line
15 de Janeiro de 2021