Os púlsares podem estar revelando que ondas gravitacionais de frequência extremamente baixa estão se movendo pelo universo. Observações relatadas em 2023 por colaborações internacionais de temporização de púlsares podem ser causadas por um fundo de ondas gravitacionais sobrepostas de inúmeras fontes distantes ou por um par único de buracos negros supermassivos próximos que orbitam entre si. Para determinar qual explicação se aplica, Hideki Asada, um físico teórico e professor da Universidade de Hirosaki, e Shun Yamamoto, um pesquisador da Escola de Graduados em Ciência e Tecnologia da Universidade de Hirosaki, propuseram uma nova abordagem. Seu método aproveita os efeitos de “batida” que ocorrem quando duas ondas gravitacionais têm frequências quase idênticas, buscando sua sutil influência nos tempos de chegada dos sinais de rádio dos púlsares.
As descobertas deles foram publicadas recentemente na Revista de Cosmologia e Física Astropartícula (JCAP).
O céu noturno contém “relógios cósmicos” notavelmente precisos: púlsares, que são estrelas de nêutrons densas que emitem pulsos de rádio em intervalos regulares, marcando o tempo como metrônomos perfeitamente cronometrados. Na Terra, os telescópios de rádio rastreiam esses pulsos não apenas para aprender sobre os próprios púlsares, mas também para usá-los como ferramentas para estudar a estrutura e o comportamento do universo mais amplo.
Se algo invisível — quase um “fantasma cósmico” — distorcer o espaço-tempo entre um púlsar e a Terra, o tempo de seus pulsos se desloca levemente. Essas mudanças não são aleatórias; vários púlsares em determinadas partes do céu podem mostrar variações correspondentes, como se uma onda invisível e lenta estivesse passando pelo espaço.
“Em 2023, várias colaborações de temporização de púlsares — NANOGrav nos EUA e equipes europeias — anunciaram evidências fortes de ondas gravitacionais em nanohertz,” observa Asada. Nanohertz significa períodos de ondas que variam de meses a anos, com comprimentos de onda de vários anos-luz. Para investigar tais escalas, dependemos de púlsares distantes e estáveis, a centenas ou milhares de anos-luz de distância. “O sinal era estatisticamente confiável, mas abaixo do limite de 5-sigma que os físicos de partículas costumam exigir,” continua ele. “É uma ‘evidência forte’, mas ainda não uma detecção confirmada, mas a comunidade de cosmologia e astrofísica acredita que estamos nos aproximando da primeira detecção de ondas gravitacionais em nanohertz.”
Embora a evidência seja promissora, ainda não chega à confirmação absoluta. Asada observa que, se dados futuros fortalecerem o resultado, o próximo passo será identificar a origem. “Há duas principais fontes candidatas para ondas gravitacionais em nanohertz,” explica ele. “Uma é a inflação cósmica, que teria criado flutuações no espaço-tempo no início do universo, posteriormente expandidas para escalas cósmicas. A outra são os binários de buracos negros supermassivos, que se formam quando as galáxias se fundem. Ambos os cenários poderiam gerar ondas gravitacionais em nanohertz.”
Distinguir entre essas possibilidades tem sido difícil porque os padrões de correlação vistos nos dados de púlsares — a forma como as diferenças de tempo entre os púlsares se relacionam entre si — eram uma vez considerados semelhantes em ambos os casos. “Em nosso artigo, exploramos a situação onde um par próximo de buracos negros supermassivos produz um sinal particularmente forte,” diz Asada. “Se dois desses sistemas têm frequências muito semelhantes, suas ondas podem interferir e criar um padrão de batida, como na acústica. Esse recurso poderia, em princípio, nos permitir diferenciá-los do fundo estocástico da inflação.”
Asada e Yamamoto, portanto, aproveitam um efeito acústico familiar: as batidas. Quando duas ondas têm frequências quase — mas não exatamente — iguais, sua superposição produz um fortalecimento e um enfraquecimento periódicos. Aplicado às ondas gravitacionais, dois binários de buracos negros supermassivos com frequências semelhantes imprimiriam uma modulação característica no sinal de temporização dos púlsares. O método é procurar essa modulação — a “batida” — nos padrões de correlação dos púlsares. Se estiver presente, isso sugere fortemente que o sinal não é um fundo difuso, mas se origina de binários relativamente próximos e específicos.
Agora aguardamos uma confirmação mais forte da natureza do sinal do púlsar. “Acho que uma vez que uma detecção confirmada de 5-sigma seja alcançada, talvez dentro de alguns anos, o próximo passo será perguntar: qual é a origem das ondas? Nesse ponto, nosso método poderia ser útil para distinguir se elas vêm da inflação ou de binários de buracos negros supermassivos próximos,” conclui Asada.
