Desde seu início, 13,8 bilhões de anos atrás, o universo continuou a se expandir, espalhando centenas de bilhões de galáxias e estrelas como passas em uma massa que cresce rapidamente. Astrônomos apontaram telescópios para certas estrelas e outras fontes cósmicas para medir sua distância da Terra e sua taxa de remoção, dois parâmetros que são necessários para calcular a constante de Hubble, uma unidade de medida que descreve a taxa na qual o universo se expande.
Mas até o momento, as tentativas mais precisas de estimar a constante de Hubble deram valores muito dispersos e não permitiram fazer uma conclusão final sobre a velocidade de crescimento do universo. Essa informação, segundo os cientistas, deve lançar luz sobre a origem do Universo e seu destino: o cosmos se expandirá infinitamente ou um dia encolherá?
E assim, cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e da Universidade de Harvard propuseram uma maneira mais precisa e independente de medir a constante de Hubble usando ondas gravitacionais emitidas por sistemas relativamente raros: um sistema binário de estrela de nêutrons de buraco negro, um par energético torcido em uma espiral por um buraco negro e uma estrela de nêutrons. À medida que esses objetos se movem na dança, eles criam ondas trêmulas de espaço-tempo e um flash de luz quando ocorre a colisão final.
Em um artigo publicado em 12 de julho na Physical Review Letters, os cientistas relataram que a explosão de luz permitirá aos cientistas estimar a velocidade do sistema, ou seja, quão rápido ele está se afastando da Terra. As ondas gravitacionais emitidas, se capturadas na Terra, devem fornecer uma medida independente e precisa da distância ao sistema. Apesar do fato de os sistemas binários de buracos negros e estrelas de nêutrons serem incrivelmente raros, os cientistas estimam que a descoberta de até mesmo alguns deles fará a estimativa mais precisa da constante de Hubble e da taxa de expansão do universo até o momento.
“Os sistemas binários de buracos negros e estrelas de nêutrons são sistemas muito complexos sobre os quais sabemos muito pouco”, diz Salvatore Vitale, professor associado de física do MIT e principal autor do artigo. "Se encontrarmos um, o prêmio será nosso avanço radical na compreensão do universo."
Vitale é coautor de Hsin-Yu Chen de Harvard.
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Constantes concorrentes
Duas medições independentes da constante de Hubble foram feitas recentemente, uma usando o telescópio espacial Hubble da NASA e a outra usando o satélite Planck da Agência Espacial Europeia. A medição de Hubble foi baseada em observações de uma estrela conhecida como variável Cefeida, bem como observações de supernovas. Ambos os objetos são considerados "velas padrão" para a previsibilidade do brilho, pela qual os cientistas estimam a distância até uma estrela e sua velocidade.
Outro tipo de avaliação se baseia em observações de flutuações na radiação cósmica de fundo em microondas - radiação eletromagnética que permaneceu após o Big Bang, quando o universo ainda estava em sua infância. Embora as observações de ambas as sondas sejam extremamente precisas, suas estimativas da constante de Hubble diferem muito.
“E é aqui que o LIGO entra em jogo”, diz Vitale.
O LIGO, ou observatório de ondas gravitacionais interferométricas a laser, procura ondas gravitacionais - ondulações na estrutura do espaço-tempo, que nascem como resultado de cataclismos astrofísicos.
“As ondas gravitacionais fornecem uma maneira muito simples e fácil de medir distâncias até suas fontes”, diz Vitale. "O que descobrimos com o LIGO é uma impressão direta da distância até a fonte, sem qualquer análise posterior."
Em 2017, os cientistas tiveram sua primeira chance de estimar a constante de Hubble de uma fonte de onda gravitacional quando o LIGO e sua contraparte italiana Virgo descobriram um par de estrelas de nêutrons em colisão pela primeira vez na história. Essa colisão liberou uma grande quantidade de ondas gravitacionais, que os cientistas mediram para determinar a distância da Terra ao sistema. A fusão também emitiu uma explosão de luz, que os astrônomos foram capazes de analisar com telescópios terrestres e espaciais para determinar a velocidade do sistema.
Tendo obtido ambas as medições, os cientistas calcularam um novo valor para a constante de Hubble. No entanto, a estimativa veio com uma incerteza relativamente grande de 14%, muito mais incerta do que os valores calculados usando Hubble e Planck.
Vitale diz que grande parte da incerteza decorre do fato de que interpretar a distância de um sistema binário à Terra é difícil usando as ondas gravitacionais criadas por esse sistema.
“Medimos a distância observando o quão 'alto' é a onda gravitacional, ou seja, quão limpos são nossos dados sobre ela”, diz Vitale. “Se tudo estiver claro, você pode ver que está alto e determinar a distância. Mas isso é apenas parcialmente verdadeiro para sistemas binários."
O fato é que esses sistemas, que geram um disco giratório de energia à medida que a dança de duas estrelas de nêutrons se desenvolve, emitem ondas gravitacionais de maneira desigual. A maioria das ondas gravitacionais são disparadas do centro do disco, enquanto muito menos delas são disparadas das bordas. Se os cientistas detectarem um sinal de onda gravitacional “alto”, isso pode indicar um de dois cenários: as ondas detectadas nascem nas bordas de um sistema que está muito perto da Terra ou as ondas vêm do centro de um sistema muito mais distante.
“No caso de sistemas estelares binários, é muito difícil distinguir entre essas duas situações”, diz Vitale.
Nova onda
Em 2014, antes mesmo do LIGO descobrir as primeiras ondas gravitacionais, Vitale e seus colegas observaram que um sistema binário de um buraco negro e uma estrela de nêutrons poderia fornecer uma medição de distância mais precisa do que estrelas de nêutrons binárias. A equipe estudou a precisão com que a rotação de um buraco negro pode ser medida, desde que esses objetos girem em seu eixo, como a Terra, apenas mais rápido.
Os pesquisadores modelaram vários sistemas de buracos negros, incluindo buracos negros-sistemas estelares de nêutrons e sistemas binários de estrelas de nêutrons. Ao longo do caminho, descobriu-se que a distância até o buraco negro - sistemas estelares de nêutrons pode ser determinada com mais precisão do que para estrelas de nêutrons. Vitale diz que isso se deve ao giro do buraco negro em torno da estrela de nêutrons, porque ajuda a determinar melhor de onde vêm as ondas gravitacionais no sistema.
“Por causa da medição de distância mais precisa, pensei que sistemas binários de buracos negros e estrelas de nêutrons poderiam ser um ponto de referência melhor para medir a constante de Hubble”, diz Vitale. "Desde então, muita coisa aconteceu com o LIGO e as ondas gravitacionais foram descobertas, então tudo desapareceu no fundo."
Vitale voltou recentemente à sua observação original.
“Até agora, as pessoas preferiam estrelas de nêutrons binárias como forma de medir a constante de Hubble usando ondas gravitacionais”, diz Vitale. “Mostramos que existe outro tipo de fonte de onda gravitacional que não foi totalmente explorada antes: buracos negros e estrelas de nêutrons dançando ao redor. O LIGO começará a coletar dados novamente em janeiro de 2019 e se tornará muito mais sensível, o que significa que podemos ver objetos mais distantes. Portanto, o LIGO será capaz de ver pelo menos um sistema de um buraco negro e uma estrela de nêutrons, ou melhor, todos os vinte e cinco, e isso ajudará a resolver a tensão existente na medição da constante de Hubble, esperançosamente, nos próximos anos.
Ilya Khel
