Durante décadas, os astrônomos souberam que o universo está se expandindo. Para determinar quão rápido ele está crescendo atualmente, os cientistas calculam um valor chamado constante de Hubble. Várias técnicas independentes são usadas para medi-lo e, como elas se baseiam na mesma física subjacente, deveriam produzir resultados compatíveis. Em vez disso, as medições baseadas em observações do universo primitivo estão em conflito com aquelas obtidas a partir do universo mais recente. Esse desalinhamento é conhecido como a tensão de Hubble e representa um dos problemas não resolvidos mais importantes da cosmologia moderna.
Um grupo de astrofísicos e cosmologistas da Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e da Universidade de Chicago introduziu uma nova maneira de calcular a constante de Hubble usando ondas gravitacionais, que são pequenas ondulações no espaço-tempo. Essa abordagem melhora a precisão das técnicas anteriores baseadas em ondas gravitacionais. À medida que os detectores se tornam mais sensíveis, esse método pode fornecer medições ainda mais precisas, potencialmente ajudando os cientistas a fechar a lacuna em torno da tensão de Hubble.
O professor de Física da Illinois, Nicolás Yunes, afirmou: “Esse resultado é muito significativo — é importante obter uma medição independente da constante de Hubble para resolver a atual tensão de Hubble. Nosso método é uma maneira inovadora de aumentar a precisão das inferências da constante de Hubble usando ondas gravitacionais.” Yunes é o diretor fundador do Illinois Center for Advanced Studies of the Universe (ICASU) no campus de Urbana.
Daniel Holz, professor de Física e de Astronomia & Astrofísica da UChicago e coautor da pesquisa, disse: “Não é todo dia que se cria uma ferramenta totalmente nova para a cosmologia. Mostramos que, ao usar o ‘murmúrio’ de ondas gravitacionais da fusão de buracos negros em galáxias distantes, podemos aprender sobre a idade e a composição do universo. Esta é uma direção empolgante e completamente nova, e estamos ansiosos para aplicar nossos métodos a conjuntos de dados futuros para ajudar a restringir a constante de Hubble, bem como outras quantidades cosmológicas-chave.”
A equipe de pesquisa inclui o estudante de graduação em física da Illinois Bryce Cousins, um bolsista da NSF Graduate Research Fellow e autor principal do estudo; a estudante de graduação em física Kristen Schumacher, também bolsista da NSF Graduate Research Fellow; o associado de pesquisa pós-doutoral em física Ka-wai Adrian Chung; e os pesquisadores pós-doutorais da Universidade de Chicago Colm Talbot e Thomas Callister, ambos bolsistas do Kavli Institute for Cosmological Physics. Os achados foram aceitos para publicação na Physical Review Letters e aparecerão 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 dos anos 1900, os pesquisadores têm se baseado em duas principais estratégias para medir a expansão cósmica. Uma abordagem utiliza observações eletromagnéticas, enquanto a outra usa ondas gravitacionais. Um método eletromagnético bem conhecido envolve “velas padrão”, como supernovas, que são explosões estelares poderosas. Como os astrônomos entendem quão brilhantes esses eventos realmente são, eles podem calcular tanto sua distância da Terra quanto quão rápido estão se afastando. Combinando esses números, revela-se 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 ondulações se propagam pelo espaço à velocidade da luz, semelhante às ondas circulares que se espalham pela água após uma pedra ser lançada em um lago. Na Terra, a Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), uma rede global com mais de 2.000 membros, detecta esses sinais.
As ondas gravitacionais também podem ser utilizadas para estimar distâncias através do que é conhecido como o método do “siren”. No entanto, determinar com que rapidez a fonte está se afastando devido à expansão cósmica é mais difícil. Para medir essa velocidade, os astrônomos normalmente precisam detectar luz da fusão ou identificar a galáxia onde ocorreu.
Idealmente, todas essas técnicas apontariam para a mesma constante de Hubble. Em vez disso, elas discordam. Se a tensão persistir, pode sinalizar que os cientistas precisam revisar sua compreensão do universo primitivo. Explicações propostas incluem energia escura primitiva, interações entre a matéria escura e neutrinos, ou mudanças em como a energia escura se comporta ao longo do tempo.
Um Novo Método de Fundo de Ondas Gravitacionais
No seu trabalho mais recente, Yunes, Cousins e seus colegas descrevem uma nova maneira de estimar a constante de Hubble estudando colisões de buracos negros que os detectores atuais não conseguem captar individualmente. Juntos, esses inúmeros eventos tênues criam o que é chamado de fundo de ondas gravitacionais.
“Porque estamos observando colisões individuais de buracos negros, podemos determinar as taxas dessas colisões que estão ocorrendo em todo o universo. Com base nessas taxas, esperamos que haja muito mais eventos que não conseguimos observar, o que é chamado de fundo de ondas gravitacionais,” explica Cousins.
A equipe mostrou que, se a constante de Hubble fosse menor, o volume total observável do universo também seria menor. Isso significaria que as colisões de buracos negros estão concentradas em um espaço mais apertado, aumentando a força total do fundo de ondas gravitacionais. Se esse sinal de fundo não for detectado em um determinado nível, isso elimina taxas de expansão mais lentas.
Os pesquisadores chamam sua abordagem de método de sirene estocástica, refletindo a natureza aleatória das colisões que contribuem para o fundo de ondas gravitacionais.
Usando os dados atuais do LVK, a equipe testou seu método. Mesmo sem detectar diretamente o fundo de ondas gravitacionais, eles conseguiram eliminar taxas de expansão particularmente lentas. Ao combinar o método de sirene estocástica com medições existentes de fusões individuais de buracos negros, conseguiram uma estimativa mais precisa da constante de Hubble. Seu resultado está dentro da faixa associada à tensão de Hubble, mostrando o potencial do método para aprimorar medições futuras.
À medida que os observatórios de ondas gravitacionais melhoram, essa estratégia deve se tornar ainda mais poderosa. Os cientistas esperam que o fundo de ondas gravitacionais seja detectado em cerca de seis anos. Até lá, limites cada vez mais rigorosos sobre o sinal de fundo continuarão a restringir a faixa possível da constante de Hubble.
“Isso deve abrir caminho para a aplicação desse método no futuro à medida que continuamos a aumentar a sensibilidade, melhor restringir o fundo de ondas gravitacionais e, talvez, até mesmo detectá-lo,” diz Cousins. “Ao incluir essas informações, esperamos obter melhores resultados cosmológicos e nos aproximar mais da resolução da tensão de Hubble.”
Apoio à Pesquisa e Recursos de Computação
A análise contou com a infraestrutura do Illinois Campus Cluster, operada pelo Illinois Campus Cluster Program em parceria com o National Center for Supercomputing Applications.
O financiamento veio do NSF Graduate Research Fellowship Program sob a concessão nº DGE 21-46756 e da concessão nº DGE-1746047 e do NSF sob o prêmio PHY-2207650, PHY-2207650 e PHY2110507. Suporte adicional foi fornecido pela Simons Foundation através do prêmio nº 896696 e pela NASA através da concessão nº 80NSSC22K0806. O apoio também veio da Eric and Wendy Schmidt AI in Science Postdoctoral Fellowship e do Kavli Institute for Cosmological Physics por meio de um endowamento da Kavli Foundation e seu fundador Fred Kavli. Os achados apresentados são dos pesquisadores e não necessariamente dos órgãos de financiamento.