Astrofísicos, utilizando grandes radiotelescópios para observar uma coleção de pulsares, os melhores e mais precisos relógios cósmicos em nossa Galáxia, descobriram evidências de ondas gravitacionais que oscilam com períodos de anos a décadas, uma descoberta revolucionária publicada no The Astrophysical Journal Letters. Este sinal de onda gravitacional foi observado em 15 anos de dados adquiridos pelo North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) Physics Frontiers Center (PFC), uma colaboração de mais de 190 cientistas dos EUA e Canadá.
A descoberta é corroborada por resultados semelhantes relatados independentemente por colaborações internacionais que utilizam telescópios na Europa, Índia, Austrália e China. Os primeiros resultados do NANOGrav revelaram um sinal de tempo enigmático comum a todos os pulsares observados, embora fosse muito fraco para revelar sua origem. No entanto, o lançamento de dados de 15 anos demonstra que o sinal é consistente com ondas gravitacionais lentamente ondulantes passando por nossa Galáxia.
O Dr. Stephen Taylor, da Universidade de Vanderbilt, que co-liderou a busca e é o atual presidente da colaboração, afirmou: “Esta é uma evidência chave para ondas gravitacionais em frequências muito baixas. Após anos de trabalho, o NANOGrav está abrindo uma janela totalmente nova no universo das ondas gravitacionais.”
Diferentemente das ondas gravitacionais de alta frequência observadas por instrumentos terrestres, como o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), este sinal contínuo de baixa frequência só poderia ser percebido com um detector muito maior do que a Terra. Para atender a essa necessidade, os astrônomos transformaram nosso setor da Via Láctea em uma enorme antena de ondas gravitacionais, utilizando estrelas exóticas chamadas pulsares. O esforço de 15 anos do NANOGrav coletou dados de 68 pulsares para formar um tipo de detector chamado pulsar timing array.
Um pulsar é o remanescente ultra-denso do núcleo de uma estrela massiva após sua morte em uma explosão de supernova. Os pulsares giram rapidamente, varrendo feixes de ondas de rádio pelo espaço, de modo que parecem “pulsar” quando vistos da Terra. Os objetos mais rápidos, chamados pulsares de milissegundos, giram centenas de vezes por segundo. Seus pulsos são muito estáveis, tornando-os úteis como cronômetros cósmicos precisos.
Ao longo de 15 anos de observações com o Observatório de Arecibo em Porto Rico, o Telescópio Green Bank na Virgínia Ocidental e o Very Large Array no Novo México, o NANOGrav expandiu gradualmente o número de pulsares que observa. “Os pulsares são na verdade fontes de rádio muito fracas, então precisamos de milhares de horas por ano nos maiores telescópios do mundo para realizar este experimento”, explica a Dra. Maura McLaughlin da West Virginia University e co-Diretora do NANOGrav PFC.
Agora, após 15 anos de observações de pulsares, estão surgindo as primeiras evidências da presença de ondas gravitacionais, com períodos de anos a décadas. A teoria da relatividade geral de Einstein prevê precisamente como as ondas gravitacionais devem afetar os sinais dos pulsares. Ao esticar e comprimir o tecido do espaço, as ondas gravitacionais afetam o tempo de cada pulso de uma maneira pequena, mas previsível, atrasando alguns enquanto avança outros. Essas mudanças são correlacionadas para todos os pares de pulsares de uma maneira que depende de quão distantes as duas estrelas aparecem no céu.
O grande número de pulsares usados na análise do NANOGrav nos permitiu ver o que pensamos ser os primeiros sinais do padrão de correlação previsto pela relatividade geral, diz o Dr. Xavier Siemens, co-Diretor do NANOGrav PFC. Observar tantos pulsares requer um enorme investimento em pessoas, infraestrutura e tempo. Em 2004, um pequeno grupo de astrônomos realizou o primeiro conjunto de observações de pulsares que formariam a base para este trabalho. Por quase duas décadas, o grupo tem crescido em número de pessoas e diversidade de especialidades necessárias para realizar esta complexa busca por ondas gravitacionais.
Inicialmente, a instrumentação de pulsares não era precisa o suficiente para alcançar a sensibilidade necessária para este experimento. A equipe trabalhou para desenvolver instrumentação de próxima geração para os telescópios Arecibo e Green Bank. Eles vasculharam pulsares conhecidos para encontrar aqueles precisos o suficiente para permitir a busca por ondas gravitacionais de baixa frequência e os adicionaram ao array de tempo de pulsar. Paralelamente, houve avanços na teoria e avanços nas técnicas de análise de dados que são ajustadas e otimizadas para arquiteturas de computação modernas.
Ao longo do caminho, o NANOGrav encontrou muitos usos para seus ricos dados de tempo de pulsar, abordando uma ampla gama de intrigantes quebra-cabeças astrofísicos. Os dados e as metodologias do NANOGrav são descritos em documentos complementares. “Esta é a primeira vez que lançamos o software usado para produzir nosso conjunto de dados junto com os próprios produtos de dados”, explica o Dr. Joseph Swiggum do Lafayette College, que liderou o artigo sobre o tempo de pulsar. “Todas as ferramentas necessárias para reproduzir nossos resultados agora são públicas, facilitando a participação de outros cientistas. Isso promoverá melhorias no código, aumentará nossas interações com a comunidade e fornecerá oportunidades educacionais para os alunos.”
Em 2020, com pouco mais de doze anos de dados, os cientistas do NANOGrav começaram a ver indícios de um sinal, um “zumbido” que era comum ao comportamento de tempo de todos os pulsares na matriz, e que uma consideração cuidadosa das possíveis explicações alternativas não poderia eliminar. A colaboração sentiu confiança de que este sinal era real e se tornava mais fácil de detectar à medida que mais observações eram incluídas. Mas ainda era muito fraco para mostrar a assinatura de onda gravitacional prevista pela relatividade geral. Agora, seus 15 anos de observações de pulsares estão mostrando a primeira evidência da presença de ondas gravitacionais, com períodos de anos a décadas.
A Dra. Sarah Vigeland, da Universidade de Wisconsin-Milwaukee, que, com Taylor, está liderando o esforço do NANOGrav para determinar a fonte do sinal, diz: “Agora que temos evidências de ondas gravitacionais, o próximo passo é usar nossas observações para estudar as fontes que produzem este zumbido. Uma possibilidade é que o sinal esteja vindo de pares de buracos negros supermassivos, com massas milhões ou bilhões de vezes a massa do nosso Sol. À medida que esses buracos negros gigantescos orbitam um ao outro, eles produzem ondas gravitacionais de baixa frequência.”
Acredita-se que os buracos negros supermassivos residem nos centros das maiores galáxias do Universo. Quando duas galáxias se fundem, os buracos negros de cada uma acabam afundando no centro da galáxia recém-combinada, orbitando um ao outro como um sistema binário muito tempo após a fusão inicial da galáxia. Eventualmente, os dois buracos negros se fundirão. Enquanto isso, sua lenta espiral estica e comprime o tecido do espaço-tempo, gerando ondas gravitacionais que se propagam para longe de sua galáxia de origem como ondulações em um lago, eventualmente alcançando a nossa.
Os sinais de ondas gravitacionais desses binários gigantescos são esperados para se sobrepor, como vozes em uma multidão ou instrumentos em uma orquestra, produzindo um “zumbido” de fundo geral que imprime um padrão único nos dados de tempo de pulsar. Este padrão é o que os cientistas do NANOGrav têm buscado por quase 20 anos. Em seu conjunto de artigos recém-publicados, o NANOGrav demonstra evidências para este fundo de ondas gravitacionais.
A análise detalhada do zumbido de fundo já está fornecendo insights sobre como os buracos negros supermassivos crescem e se fundem. Dada a força do sinal que o NANOGrav vê, a população de binários de buracos negros extremamente massivos no Universo deve ser na ordem de centenas de milhares, talvez até milhões.
“Em um ponto, os cientistas estavam preocupados que os buracos negros supermassivos em binários orbitariam um ao outro para sempre, nunca se aproximando o suficiente para gerar um sinal como este”, diz o Dr. Luke Kelley, da Universidade da Califórnia, Berkeley, e presidente do grupo de astrofísica do NANOGrav. “Mas agora finalmente temos fortes evidências de que muitos desses binários extremamente massivos e próximos realmente existem. Uma vez que os dois buracos negros se aproximam o suficiente para serem vistos pelos arrays de tempo de pulsar, nada pode impedi-los de se fundirem em apenas alguns milhões de anos.”
A investigação futura deste sinal alimentará a compreensão dos cientistas de como o Universo evoluiu nas maiores escalas, fornecendo informações sobre a frequência com que as galáxias colidem e o que leva os buracos negros a se fundirem. Além disso, as ondulações gravitacionais do próprio Big Bang podem compor alguma fração do sinal, oferecendo insights sobre como o próprio Universo foi formado. Esses resultados até têm implicações nas menores escalas, colocando limites sobre que tipo de partículas exóticas podem existir em nosso Universo. “Este é um marco importante no esforço multifacetado da NSF para alavancar os sinais de ondas gravitacionais para obter uma compreensão mais clara dos fenômenos na fronteira astrofísica”, diz o Diretor do Programa de Centros de Fronteiras Físicas da NSF, Michael Cavagnero.
Com o tempo, o NANOGrav espera ser capaz de selecionar as contribuições de binários de buracos negros supermassivos individuais relativamente próximos. “Estamos usando um detector de ondas gravitacionais do tamanho da galáxia que é feito de estrelas exóticas, o que simplesmente me surpreende”, exclama o Dr. Scott Ransom do National Radio Astronomy Observatory. “Nossos dados anteriores nos disseram que estávamos ouvindo algo, mas não sabíamos o quê. Agora sabemos que é música vinda do universo gravitacional. À medida que continuamos ouvindo, provavelmente seremos capazes de escolher notas dos instrumentos tocando nesta orquestra cósmica. Combinar esses resultados de ondas gravitacionais com estudos da estrutura e evolução da galáxia revolucionará nossa compreensão da história do nosso Universo.”
O apoio da National Science Foundation (NSF) tem sido fundamental para o sucesso do NANOGrav, fornecendo suporte para o trabalho científico através do programa Physics Frontiers Center e através do acesso a vários radiotelescópios de classe mundial. Os futuros resultados do NANOGrav incorporarão dados do telescópio CHIME do Canadá, adicionado ao projeto em 2019.
“A equipe da NSF NANOGrav criou, em essência, um detector em escala galáctica revelando as ondas gravitacionais que permeiam nosso universo”, diz o Diretor da NSF, Sethuraman Panchanathan. “A colaboração envolvendo instituições de pesquisa em todo os EUA mostra que a inovação científica de classe mundial pode, deve e alcança todas as partes de nossa nação.”
Astrofísicos ao redor do globo têm estado ocupados perseguindo este sinal de onda gravitacional. Vários artigos lançados hoje pelo Parkes Pulsar Timing Array na Austrália, o Chinese Pulsar Timing Array e o European Pulsar Timing Array/Indian Pulsar Timing Array relatam indícios do mesmo sinal em seus dados. Através do consórcio International Pulsar Timing Array, colaborações regionais estão trabalhando juntas para combinar seus dados a fim de caracterizar melhor o sinal ebuscar novos tipos de fontes. “Nossos dados combinados serão muito mais poderosos”, diz Taylor. “Estamos animados para descobrir que segredos eles revelarão sobre nosso Universo.”
Em resumo, esta descoberta revolucionária de ondas gravitacionais, que oscilam com períodos de anos a décadas, abre uma nova janela para a compreensão do universo. Através do uso de pulsares como relógios cósmicos precisos e da colaboração internacional, os cientistas estão agora mais perto do que nunca de desvendar os mistérios do universo, desde a formação de buracos negros supermassivos até a própria origem do universo. Com o avanço contínuo da tecnologia e a colaboração global, o futuro da astrofísica promete ser ainda mais emocionante e revelador.
Fonte:
