Buracos negros supermassivos coalescentes nos centros de galáxias em fusão preenchem o universo com ondas gravitacionais de baixa frequência. Os astrônomos têm procurado por essas ondas usando grandes radiotelescópios para procurar o efeito sutil que essas ondulações do espaço-tempo têm nas ondas de rádio emitidas por pulsares dentro de nossa galáxia. Agora, uma equipe internacional de cientistas mostrou que a luz de alta energia coletada pelo Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA também pode ser usada na pesquisa. O uso de raios gama em vez de ondas de rádio produz uma visão mais clara dos pulsares e fornece uma maneira independente e complementar de detectar ondas gravitacionais.
As descobertas de uma equipe internacional de cientistas, incluindo Aditya Parthasarathy e Michael Kramer, do Instituto Max Planck de Radioastronomia em Bonn, Alemanha, foram publicadas na revista “Science” esta semana.
No coração da maioria das galáxias – coleções de centenas de bilhões de estrelas como a nossa Via Láctea – encontra-se um buraco negro supermassivo. As galáxias são atraídas umas pelas outras por sua imensa gravitação e, quando se fundem, seus buracos negros afundam no novo centro. À medida que os buracos negros espiralam para dentro e se unem, eles criam longas ondas gravitacionais que se estendem por centenas de trilhões de quilômetros entre as cristas das ondas. O universo está cheio de tais buracos negros supermassivos em fusão, e eles o preenchem com um mar de ondulações do espaço-tempo de baixa frequência.
Os astrônomos têm procurado por essas ondas por décadas observando os pulsos de pulsares, os remanescentes densos de estrelas massivas. Os pulsares giram com extrema regularidade e os astrônomos sabem exatamente quando esperar cada pulso. O mar de ondas gravitacionais, no entanto, altera-se sutilmente quando os pulsos chegam à Terra, e monitorar com precisão muitos pulsares no céu pode revelar sua presença.
Pesquisas anteriores para essas ondas usaram exclusivamente grandes radiotelescópios, que coletam e analisam ondas de rádio. Mas agora uma equipe internacional de cientistas procurou essas pequenas variações em mais de dez anos de dados coletados com o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA, e sua análise mostra que a detecção dessas ondas pode ser possível com apenas alguns anos de observações adicionais.
“Fermi estuda o universo em raios gama, a forma de luz mais energética. Ficamos surpresos com o quão bom é encontrar os tipos de pulsares de que precisamos para procurar essas ondas gravitacionais – mais de 100 até agora!” disse Matthew Kerr, físico pesquisador do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA em Washington. “Fermi e os raios gama têm algumas características especiais que, juntos, os tornam uma ferramenta muito poderosa nesta investigação.”
Os resultados do estudo, co-liderado por Kerr e Aditya Parthasarathy, pesquisadora do Instituto Max Planck de Radioastronomia (MPIfR) em Bonn, Alemanha, foram publicados na edição de 07 de abril da revista Science.
A luz assume muitas formas. Ondas de rádio de baixa frequência podem passar por alguns objetos, enquanto raios gama de alta frequência explodem em chuvas de partículas energéticas quando encontram matéria. As ondas gravitacionais também cobrem um amplo espectro, e objetos mais massivos tendem a gerar ondas mais longas.
É impossível construir um detector grande o suficiente para detectar as ondas de trilhões de quilômetros alimentadas pela fusão de buracos negros supermassivos, então os astrônomos usam detectores de ocorrência natural chamados matrizes de temporização de pulsar. São coleções de pulsares de milissegundos que brilham tanto em ondas de rádio quanto em raios gama e que giram centenas de vezes a cada segundo. Como faróis, esses feixes de radiação parecem pulsar regularmente à medida que varrem a Terra e, à medida que passam pelo mar de ondas gravitacionais, são impressos com o fraco estrondo de buracos negros massivos e distantes.
Pulsares foram originalmente descobertos usando radiotelescópios, e experimentos de arranjo de temporização de pulsares com radiotelescópios estão em operação há quase duas décadas. Esses grandes pratos fornecem a maior sensibilidade aos efeitos das ondas gravitacionais, mas os efeitos interestelares complicam a análise dos dados de rádio. O espaço está praticamente vazio, mas ao cruzar a vasta distância entre um pulsar e a Terra, as ondas de rádio ainda encontram muitos elétrons. Da mesma forma que um prisma dobra a luz visível, os elétrons interestelares dobram as ondas de rádio e alteram seu tempo de chegada. Os raios gama energéticos não são afetados dessa maneira, então eles fornecem um método complementar e independente de temporização do pulsar.
“Os resultados do Fermi já são 30% tão bons quanto as matrizes de temporização de pulsar de rádio quando se trata de detectar potencialmente o fundo da onda gravitacional”, disse Parthasarathy. “Com mais cinco anos de coleta e análise de dados de pulsar, será igualmente capaz com o bônus adicional de não ter que se preocupar com todos esses elétrons perdidos.”
Uma matriz de temporização de pulsar de raios gama, não prevista antes do lançamento do Fermi, representa uma nova e poderosa capacidade em astrofísica de ondas gravitacionais.
“Detectar o fundo da onda gravitacional com pulsares está ao alcance, mas continua difícil. Um método independente, mostrado aqui inesperadamente através do Fermi é uma ótima notícia, tanto para confirmar descobertas futuras quanto para demonstrar suas sinergias com experimentos de rádio”, conclui Michael Kramer, diretor do MPIfR e chefe do departamento de pesquisa de Física Fundamental em Radioastronomia.
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