Ondas gravitacionais podem ser chave para medir expansão do Universo

Ondas gravitacionais e a medição da expansão do Universo

A taxa de expansão do universo é um dos principais tópicos da cosmologia contemporânea e um dos maiores mistérios da física atual.

A “tensão de Hubble” refere-se à discrepância nas diferentes maneiras de calcular a constante de Hubble, que mede a velocidade da expansão do cosmos. Pesquisadores agora sugerem que as ondas gravitacionais, pequenas ondulações no espaço-tempo, podem ser uma nova abordagem para resolver essa questão.

Desde 1998, os cientistas descobriram que o universo não só se expande, mas que essa expansão acelera. Para explicar esse fenômeno, foi introduzido o conceito de “energia escura”, uma força misteriosa que impulsiona essa aceleração.

No entanto, mesmo após mais de duas décadas de pesquisa, a dúvida persiste: qual é o valor exato da taxa de expansão do universo?

A tensão surge porque diferentes métodos geram resultados variados. Ao calcular a constante de Hubble a partir do universo local, utilizando supernovas do Tipo Ia como referência, obtém-se um valor. Por outro lado, ao considerar o universo distante e primordial, com base no modelo padrão da cosmologia, chega-se a um número diferente.

Diante dessa divergência, cientistas buscam uma terceira forma independente de medir a constante de Hubble.

Uma equipe da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e da Universidade de Chicago acredita que a solução pode estar nas ondas gravitacionais.

“Este resultado é muito significativo — obter uma medição independente da constante de Hubble é crucial para resolver a atual tensão de Hubble”, declarou Nicolas Yunes, líder do estudo e diretor fundador do Illinois Center for Advanced Studies of the Universe (ICASU). “Nosso método é uma nova maneira de aumentar a precisão das inferências da constante de Hubble usando ondas gravitacionais.”

A história das ondas gravitacionais remonta a 1915, com a teoria da relatividade geral de Albert Einstein, que afirma que objetos massivos deformam o espaço-tempo, e essa curvatura é percebida como gravidade. Quanto maior a massa, maior a deformação.

A relatividade geral também prevê que objetos acelerados no espaço-tempo geram ondulações que se propagam à velocidade da luz: as ondas gravitacionais. A primeira detecção dessas ondas ocorreu em 2015, pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO), nos Estados Unidos, a partir da colisão de dois buracos negros a cerca de 1,3 bilhão de anos-luz da Terra.

Desde então, além do LIGO, os detectores Virgo (Itália) e KAGRA (Japão) registraram ondas gravitacionais de diversas fusões, incluindo pares de buracos negros e estrelas de nêutrons.

Embora as ondas gravitacionais já tivessem sido sugeridas como ferramenta para medir a constante de Hubble, a precisão era uma limitação. Agora, a equipe propõe uma abordagem que pode superar esse desafio à medida que os detectores se tornam mais sensíveis.

“Desenvolver uma ferramenta nova para a cosmologia é raro. Mostramos que, ao usar o zumbido de fundo das ondas gravitacionais de fusões de buracos negros em galáxias distantes, podemos aprender sobre a idade e a composição do universo”, disse Daniel Holz, da Universidade de Chicago.

A técnica proposta é conhecida como método da “sirene estocástica”. Para utilizar ondas gravitacionais na medição da constante de Hubble, é necessário determinar a velocidade com que os eventos que geram essas ondas se afastam de nós. Isso implica que os astrônomos também devem identificar a luz ou radiação eletromagnética emitida por esses eventos ou pelas galáxias que os hospedam.

Ao comparar essas duas formas de observação, denominadas “astronomia multimensageira”, os cientistas podem obter dois valores para a constante de Hubble: um baseado apenas em radiação eletromagnética e outro combinando radiação eletromagnética e ondas gravitacionais. Se os resultados não coincidirem, a tensão de Hubble continua, indicando que há aspectos do universo primitivo ou atual que ainda não compreendemos completamente.

Os pesquisadores argumentam que valores mais baixos da constante de Hubble indicariam um volume menor de espaço para colisões, resultando em maior densidade de eventos e, consequentemente, um sinal mais forte do fundo de ondas gravitacionais. Se esse fundo não for detectado, isso pode sugerir um valor mais alto para a constante.

Embora o consórcio LIGO-Virgo-KAGRA ainda não tenha a sensibilidade necessária para detectar diretamente esse fundo, a equipe aplicou o método da sirene estocástica aos dados já coletados, indicando valores mais elevados da constante de Hubble e sugerindo uma taxa de expansão universal mais rápida.

Os autores consideram que se trata ainda de uma prova de conceito. Nos próximos seis anos, com o aumento da sensibilidade dos detectores, será possível restringir melhor os valores da constante de Hubble.

Após esse período, os instrumentos deverão ser capazes de “ouvir” a maior parte do fundo de ondas gravitacionais, possibilitando uma medição independente da constante e, potencialmente, resolvendo a tensão de Hubble.

“Isso deve abrir caminho para aplicar esse método no futuro, à medida que continuamos a aumentar a sensibilidade e restringir melhor o fundo de ondas gravitacionais”, afirmou Cousins. “Com essas informações, esperamos obter resultados cosmológicos melhores e nos aproximar da resolução da tensão de Hubble.”

O estudo foi publicado na edição de março da revista Physical Review Letters.