Durante décadas, os astrônomos sabem que o universo está se expandindo. Para determinar o quão rápido está crescendo hoje, os cientistas calculam um valor chamado constante de Hubble. Várias técnicas independentes são usadas para medir isso e, como dependem da mesma física subjacente, devem produzir resultados consistentes. Em vez disso, as medições baseadas em observações do universo primitivo entram em conflito com aquelas extraídas do universo recente. Esta discrepância é conhecida como atração de Hubble e representa um dos mais importantes problemas não resolvidos da cosmologia moderna.
Uma equipe de astrofísicos e cosmólogos da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e da Granger College of Engineering da Universidade de Chicago desenvolveu uma nova maneira de calcular a constante de Hubble usando ondas gravitacionais, que são ondas minúsculas no espaço-tempo. Seu método melhora a precisão das técnicas anteriores baseadas em ondas gravitacionais. À medida que os detectores se tornam mais sensíveis, esta abordagem poderá fornecer medições mais precisas, potencialmente ajudando os cientistas a fechar a lacuna por trás da tensão do Hubble.
“Este resultado é muito significativo – obter uma medida independente da constante de Hubble é fundamental para resolver a actual tensão de Hubble. O nosso método é uma forma inovadora de aumentar a precisão das estimativas da constante de Hubble usando ondas gravitacionais,” disse Nicholas Younes, professor de física do Illinois. Younes é o diretor fundador do Centro de Estudos Avançados do Universo de Illinois (ICASU) no campus Urbana.
“Não é todo dia que se cria uma ferramenta completamente nova para a cosmologia”, disse Daniel Holz, professor de física, astronomia e astrofísica da UChicago, e coautor do estudo. Também esperamos aplicar os nossos métodos a conjuntos de dados futuros para ajudar a restringir outras quantidades cosmológicas importantes.”
A equipe de pesquisa inclui o estudante de pós-graduação em física de Illinois, Bryce Cousins, pesquisador graduado da NSF e principal autor do estudo; Kristen Schumacher, estudante de pós-graduação em física de Illinois, bolsista de pesquisa de pós-graduação da NSF; Pesquisador de pós-doutorado em física de Illinois, Ka-wai Adrian Chung; e os pesquisadores de pós-doutorado da Universidade de Chicago, Colm Talbot e Thomas Callister, ambos bolsistas de pós-doutorado em física cosmológica do Instituto Kavli. Os resultados foram aceitos para publicação Carta de revisão física e aparecerá na edição de 11 de março. O artigo completo já está disponível no arXiv.
Como os cientistas medem a expansão do universo?
Desde o início de 1900, os pesquisadores confiaram em duas técnicas principais para medir a expansão do universo. Um método usa observações eletromagnéticas, o outro usa ondas gravitacionais. Um método eletromagnético bem conhecido envolve “velas padrão”, como as supernovas, que são poderosas explosões estelares. Como os astrónomos podem compreender quão brilhantes são realmente estes eventos, podem calcular a distância à Terra e a rapidez com que se afastam. A combinação desses números revela a taxa de expansão do universo.
Nos últimos anos, as ondas gravitacionais abriram outro caminho. Essas ondas são produzidas quando objetos extremamente densos, como buracos negros, colidem. As ondas viajam pelo espaço à velocidade da luz, como uma onda circular que se espalha pela água depois que uma pedra é jogada em um lago. Na Terra, a colaboração LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), uma rede global com mais de 2.000 membros, detecta estes sinais.
As ondas gravitacionais também podem ser usadas para estimar distâncias através do que é conhecido como método da sirene padrão. No entanto, determinar a rapidez com que a fonte está diminuindo devido à expansão cósmica é mais difícil. Para medir essa velocidade, os astrônomos geralmente precisam detectar a luz de uma fusão ou identificar a galáxia onde ela aconteceu.
Idealmente, todas estas técnicas indicariam a mesma constante de Hubble. Em vez disso, eles discordam. Se a tensão persistir, isso pode indicar que os cientistas precisam de rever a sua compreensão do Universo primitivo. As explicações propostas incluem a energia escura primordial, interações entre a matéria escura e os neutrinos ou mudanças na forma como a energia escura se comporta ao longo do tempo.
Um novo método de fundo de ondas gravitacionais
No seu trabalho mais recente, Younes, Cousin e os seus colegas descrevem uma nova forma de estimar a constante de Hubble, estudando colisões de buracos negros que os detectores atuais não conseguem captar individualmente. Juntos, esses incontáveis fenômenos fracos formam o que é chamado de fundo de onda gravitacional.
“Como observamos as colisões de buracos negros individuais, podemos determinar a taxa a que essas colisões ocorrem em todo o Universo. Com base nessas taxas, esperamos que haja muitos mais eventos que não podemos observar, chamados de fundo de ondas gravitacionais,” explicou Cousin.
A equipe mostrou que quanto menor a constante de Hubble, menor será o volume total observável do universo. Isso significa que as colisões de buracos negros são compactadas em um espaço mais apertado, aumentando a força geral da onda gravitacional de fundo. Se este sinal de fundo não for detectado em um determinado nível, exclui taxas de expansão lentas.
Os pesquisadores chamam sua abordagem de método da sirene estocástica, que reflete a natureza aleatória das colisões que contribuem para o fundo das ondas gravitacionais.
Usando dados atuais do LVK, a equipe testou seu método. Mesmo sem detectar diretamente o fundo das ondas gravitacionais, eles foram capazes de descartar taxas de expansão particularmente lentas. Quando combinaram o método estocástico da Sirene com medições existentes de fusões de buracos negros individuais, obtiveram uma estimativa mais precisa da constante de Hubble. Os seus resultados enquadram-se na faixa associada à tensão de Hubble, mostrando o potencial do método para aprimorar medições futuras.
À medida que as observações das ondas gravitacionais melhoram, esta técnica deve tornar-se mais robusta. Os cientistas esperam detectar o fundo das ondas gravitacionais em cerca de seis anos. Até então, limites cada vez mais rígidos no sinal de fundo continuarão a estreitar o alcance possível da constante de Hubble.
“Isto deverá abrir caminho para futuras aplicações deste método à medida que continuamos a aumentar a sensibilidade, a restringir melhor o fundo das ondas gravitacionais e, possivelmente, a detectá-las,” disse Cousins. “Ao incluir essa informação, queremos obter melhores resultados cosmológicos e chegar mais perto de resolver a excitação do Hubble.”
Apoio à pesquisa e recursos computacionais
A análise baseia-se no Illinois Campus Cluster, gerenciado pelo Illinois Campus Cluster Program em parceria com o National Center for Supercomputing Applications.
O financiamento veio do Programa de Bolsas de Pós-Graduação da NSF sob a concessão nº DGE 21-46756 e a concessão nº DGE-1746047 e prêmios PHY-2207650, PHY-2207650 e PHY2110507. Apoio adicional foi fornecido pelo Prêmio Simmons Foundation nº 896696 e pela concessão da NASA nº 80NSSC22K0806. O apoio também veio do Instituto Kavli de Física Cosmológica por meio de uma bolsa de pós-doutorado Eric e Wendy Schmidt AI e Kavli Foundation in Science e uma bolsa de seu fundador, Fred Kavli. Os resultados apresentados não são necessariamente os dos pesquisadores e agências de fomento
