Como ondas gravitacionais poderiam resolver alguns dos mistérios mais profundos do universo

em meados da década de 1980, Bernard Schutz surgiu com uma nova solução para um dos problemas mais antigos da astronomia: como medir a distância da Terra a outros objetos no cosmos. Por gerações, os pesquisadores têm confiado no brilho de um objeto como um indicador áspero para sua distância. Mas esta abordagem traz complicações infinitas. Estrelas escuras, próximas, por exemplo, podem mascarar-se como brilhantes que estão mais longe.,Schutz, um físico da Universidade de Cardiff, Reino Unido, percebeu que ondas gravitacionais poderiam fornecer a resposta. Se os detectores pudessem medir essas ondulações no espaço-tempo, emanando de pares interagindo de objetos distantes, os cientistas teriam toda a informação necessária para calcular o quão forte o sinal era para começar — e até onde as ondas devem ter viajado para chegar à Terra. Assim, ele previu, ondas gravitacionais poderiam ser marcadores inequívocos de quão rapidamente o Universo está se expandindo.,

Sua idéia era elegante, mas impraticável: ninguém na época poderia detectar ondas gravitacionais. Mas, em agosto passado, Schutz finalmente teve a oportunidade de testar este conceito quando as reverberações de uma fusão de 130 milhões de anos entre duas estrelas de nêutrons passaram por detectores de ondas gravitacionais na Terra. Por sorte, o evento ocorreu em uma galáxia relativamente próxima, produzindo uma primeira medida muito mais limpa do que Schutz tinha sonhado. Com esse ponto de dados, Schutz foi capaz de mostrar que sua técnica poderia se tornar uma das mais confiáveis para medir a distância., “Foi difícil de acreditar”, diz Schutz. “Mas lá estava.”

mais fusões como essa poderiam ajudar os pesquisadores a resolver um debate em curso sobre a rapidez com que o Universo está atualmente se expandindo. Mas a cosmologia é apenas uma disciplina que poderia fazer grandes ganhos através de deteções de ondas gravitacionais nos próximos anos., Com um punhado de descobertas já em seus cintos, gravitacional de onda cientistas têm uma longa lista do que eles esperam de mais dados para trazer, incluindo o insight sobre as origens do Universo, os buracos negros; a condições extremas no interior de estrelas de nêutrons; uma crônica de como o Universo se estruturou em galáxias; e os mais rigorosos testes ainda de Albert Einstein da teoria da relatividade geral. Ondas gravitacionais podem até fornecer uma janela para o que aconteceu nos primeiros momentos após o Big Bang.,os pesquisadores em breve começarão a trabalhar nesta lista, com a ajuda do Observatório de ondas gravitacionais do interferômetro Laser (LIGO), do Observatório de Virgem perto de Pisa, Itália, e de um detector similar no Japão que poderia começar a fazer observações no próximo ano. Eles receberão um impulso extra dos interferômetros espaciais, e dos terrestres que ainda estão na prancha de desenho — bem como de outros métodos que poderiam começar a produzir suas próprias primeiras deteções de ondas gravitacionais (veja “o espectro de ondas gravitacionais”).,

Like many scientists, Schutz hopes that the best discoveries will be ones that no theorist has even dreamed of., “Sempre que começas a observar algo tão radicalmente novo, há sempre a possibilidade de ver coisas que não esperavas.”

pistas giratórias

para um campo de pesquisa que ainda não tem três anos de idade, a astronomia da onda gravitacional tem feito descobertas a uma velocidade impressionante, superando mesmo as expectativas mais rosadas. Além da descoberta, em agosto, da fusão neutron-estrela, O Lido registrou cinco pares de buracos negros se aglutinando em buracos maiores desde 2015 (Veja “Making waves”)., As descobertas são a prova mais direta de que os buracos negros realmente existem e têm as propriedades previstas pela relatividade geral. Eles também revelaram, pela primeira vez, pares de buracos negros orbitando um ao outro.

pesquisadores agora esperam descobrir como tais pares vieram a ser. Os buracos negros individuais em cada par devem se formar quando estrelas maciças ficam sem combustível em seus núcleos e colapsam, desencadeando uma explosão de supernova e deixando para trás um buraco negro com uma massa que varia de alguns a algumas dezenas de sóis.,

Existem dois principais cenários de como tais buracos negros, poderia chegar ao círculo de uns para os outros: eles podem começar como estrelas massivas em cada órbita, e ficar juntos, mesmo depois cada um vai supernova. Ou, os buracos negros podem formar — se de forma independente, mas ser conduzidos juntos mais tarde por interações gravitacionais freqüentes com outros objetos-algo que poderia acontecer nos centros de aglomerados estelares densos.,

de qualquer forma, a energia dos objetos gradualmente se dispersa na forma de ondas gravitacionais, um processo que puxa o par em uma espiral cada vez mais apertada e mais rápida, eventualmente fundindo-se em um buraco negro mais massivo. Ilya Mandel, um astrofísico teórico da Universidade de Birmingham, Reino Unido, diz que para que LIGO e Virgem vejam esses pares se fundirem, os buracos negros típicos precisam ter começado sua órbita mútua separada por uma distância de menos de um quarto que entre a terra e o sol., “Se você começar com os dois buracos negros mais distantes, vai demorar mais do que a idade do Universo” para eles se fundirem, Mandel diz.as cinco fusões de buracos negros descobertas até agora não são suficientes para determinar qual o cenário de formação dominante. Mas, numa análise de agosto das três primeiras detecções, um grupo que inclui Mandel e Will Farr, um astrofísico teórico e membro do LIGO na Universidade de Birmingham, sugeriu que apenas mais dez observações poderiam fornecer provas substanciais a favor de um cenário ou outro 1., Isso envolveria examinar as ondas gravitacionais em busca de pistas sobre como os buracos negros giram: aqueles que se emparelham depois de se formar independentemente deveriam ter voltas orientadas aleatoriamente, enquanto aqueles com uma origem comum deveriam ter eixos de rotação que são paralelos uns aos outros e aproximadamente perpendiculares ao plano em que eles orbitam. outras observações podem também fornecer uma visão de algumas das questões fundamentais sobre a formação do buraco negro e a evolução estelar., Coletar muitas medições de massas deve revelar lacunas-intervalos nos quais existem poucos ou nenhuns buracos negros, diz Vicky Kalogera, uma Astrofísica de manga na Universidade Northwestern em Evanston, Illinois. Em particular, “deve haver uma escassez de buracos negros na extremidade de baixa massa”, diz ela, porque supernovas relativamente pequenas tendem a deixar para trás Estrelas de nêutrons, não buracos negros, como remanescentes. E na extremidade alta — cerca de 50 vezes a massa do sol — os pesquisadores esperam ver outro corte., Em estrelas muito grandes, as pressões no núcleo são pensadas eventualmente para produzir antimatéria, causando uma explosão tão violenta que a estrela simplesmente se desintegra sem deixar quaisquer remanescentes. Estes eventos, chamados de supernovas de par-instabilidade, têm sido teorizados, mas até agora tem havido poucas evidências observacionais para apoiá-los.

Finalmente, o buraco-negro detecções irá delinear um mapa do Universo na maneira como o galaxy pesquisas atualmente, diz Rainer Weiss, um físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts em Cambridge, que foi o principal designer da LIGO., Uma vez que os números se acumulam, “nós podemos realmente começar a ver todo o universo em buracos negros”, diz ele. “Cada pedaço de Astrofísica vai ganhar alguma coisa com isso.”

para aumentar estas observações, lido e Virgem têm planos para melhorar a sua sensibilidade, o que revelará não só mais eventos, mas também mais detalhes sobre cada fusão. Entre outras coisas, os físicos estão ansiosos para ver as ondas “ringdown” detalhadas que um buraco negro pós-fusão emana à medida que se instala em uma forma esférica — uma observação que poderia potencialmente revelar rachaduras na Teoria Geral da relatividade., ter mais observatórios espalhados pelo mundo também será crucial. KAGRA, um detector em construção no subsolo do Japão, pode começar a recolher dados no final de 2019. A sua localização — e, em particular, a sua orientação em relação às ondas de entrada-complementará as de LIGO e Virgem, e permitirá aos investigadores identificar a polarização das ondas gravitacionais, que codifica informações sobre a orientação do plano orbital e a rotação dos objectos em espiral., E a Índia está planejando construir outro observatório na próxima década, feito em parte com componentes sobressalentes de LIGO.uma quantidade ainda maior de descobertas pode vir da observação de fusões de Estrelas de nêutrons. Até agora, pesquisadores anunciaram apenas uma detecção, chamada GW170817. Esse sinal, visto em agosto passado, foi quase certamente o evento mais intensamente estudado na história da astronomia. E resolveu uma série de mistérios de longa data em um só golpe, incluindo a origem do ouro e outros elementos pesados na Universe2, bem como a causa de alguns γ-ray bursts3.,outras observações poderiam permitir aos cientistas explorar os interiores destes objectos. Acredita-se que as estrelas de nêutrons sejam tão densas quanto a matéria pode ser sem colapsar em um buraco negro, mas exatamente como densa é a suposição de qualquer um. Nenhuma experiência laboratorial pode estudar essas condições, e há dezenas de propostas para o que acontece lá. Algumas teorias prevêem que quarks — os componentes subatômicos que compõem prótons e nêutrons-devem se libertar uns dos outros e vaguear por cerca de, talvez em Estados supercondutores, superfluidos., Outros postulam que quarks mais pesados, ‘estranhos’ formam e se tornam parte de primos exóticos do nêutron.

fixar os raios das Estrelas de nêutrons pode permitir que os físicos avaliem as teorias, porque elas prevêem diferentes’ equações de Estado ‘ — fórmulas que ligam a pressão, temperatura e densidade da matéria. Tais equações determinam em que medida a matéria pode ser comprimida, e assim, quão larga ou estreita uma estrela de nêutrons será para uma dada massa, e quão massiva tais estrelas podem ficar.,

A 100-segunda-longo sinal em agosto, eventualmente, se tornou muito alto em campo para LIGO e Virgem, para detectar, o que impediu os observatórios de ver as duas estrelas de nêutrons’ momentos finais, quando deveriam ter deformado uns aos outros de formas que teria revelado o seu tamanho e a dureza ou resistência a compressão. Ainda assim, diz B. S., Sathyaprakash, uma LIGO físico teórico da Universidade Estadual da Pensilvânia, em University Park, do que um evento, “podemos descartar equações de estado que permitem nêutrons estrelas de tamanhos maiores do que 15 quilômetros de raio” — uma figura que é consistente com outras medidas e favorece o ‘mais suave’ matéria.

detections Future — and detectors — will give much more detail. Sathyaprakash diz que o telescópio Einstein, um possível Observatório da próxima geração inventado por uma equipa na Europa, poderia levar os físicos muito além de um limite superior., “Queremos ser capazes de fixar o raio ao nível de 100 metros”, diz ele — uma precisão que seria surpreendente, uma vez que esses objetos estão a milhões de anos-luz de distância. sinais similares ao GW170817, que foi observado através de ondas gravitacionais e luz, podem ter implicações dramáticas para a cosmologia. Schutz calculou em 1985 que a frequência, ou altura, das ondas de objetos em espiral, juntamente com a taxa a que essa altura aumenta, revela informações sobre a massa coletiva dos objetos 4., Isso determina o quão fortes as suas ondas devem estar na fonte. Ao medir a força das ondas que atingem a terra — a amplitude do sinal realmente captado pelos interferômetros — pode-se então estimar a distância que as ondas percorreram da fonte. Sendo todas as outras coisas iguais, uma fonte que está duas vezes mais longe, por exemplo, produzirá um sinal metade mais forte., Este tipo de sinal tem sido apelidado de sereia padrão, em um aceno a um método comum de medir distâncias na cosmologia: estrelas chamadas velas padrão têm um brilho bem conhecido, que permite aos pesquisadores para trabalhar a sua distância da Terra. Schutz e seus colaboradores fizeram uma nova e completamente independente estimativa da constante de Hubble — a taxa atual de expansão do universo (ver “sinalizadores cósmicos”)., O result5, parte de uma safra de papéis lançado pela LIGO, Virgem e cerca de 70 outros astronomia equipes em 16 de outubro, “inaugura uma nova era tanto para a cosmologia e a astrofísica”, diz Wendy Freedman, um astrónomo da Universidade de Chicago, em Illinois, que fez altamente medições precisas da constante de Hubble, utilizando o tempo-honrado, mas menos direta, técnicas.,

como medida direta e independente desta constante, as sirenes padrão podem ajudar a resolver um desacordo entre cosmólogos. Técnicas de última geração, refinadas ao longo de quase um século de trabalho que começaram com o próprio Edwin Hubble, agora dão estimativas que diferem em alguns por cento., Esta primeira medição standard-siren não resolve a tensão: a taxa de expansão que prevê cai algures no meio da Gama e, porque é baseada em apenas um evento de fusão, tem uma grande barra de erro. Mas no futuro, os pesquisadores esperam que as sirenes padrão para pregar a constante do Hubble com um erro de menos de 1%. Até agora, velas padrão fizeram isso com precisões de 2-3%.,as sirenes padrão podem tornar-se Ferramentas ainda mais poderosas com interferómetros espaciais como a antena espacial interferómetro Laser (LISA), um trio de sondas que a Agência Espacial Europeia, que está a liderar a missão, planeia lançar na década de 2030. LISA foi concebida para ser sensível às ondas de baixa frequência que os observatórios terrestres não conseguem detectar. Isso lhe daria acesso a sistemas mais massivos, que irradiam ondas gravitacionais mais fortes., Em princípio, LISA poderia pegar sirenes de todo o Universo e, com a ajuda de telescópios convencionais, medir não apenas a taxa atual de expansão cósmica, mas também como essa taxa evoluiu através dos eons. Assim, LISA poderia ajudar a resolver o maior quebra-cabeça da cosmologia: a natureza da energia escura, o componente cósmico ainda não identificado que está impulsionando a expansão do Universo para acelerar.,enquanto os interferómetros terrestres detectam eventos que são breves e distantes entre si, espera — se que LISA ouça uma cacofonia de sinais assim que se liga, incluindo um coro constante de anãs brancas Binárias apertadas-os remanescentes omnipresentes de estrelas do tamanho do sol — na nossa própria galáxia. “É como se vivêssemos em uma floresta ruidosa, e tivemos de destacar os sons de aves”, diz o astrofísico Monica Colpi, da Universidade de Milão–Bicocca, na Itália, que faz parte da comissão de definição da missão e objetivos da ciência., ocasionalmente, LISA deveria ver fusões de buracos negros como as que LIGO faz, mas em uma escala muito maior. Acredita-se que a maioria das galáxias abrigam um buraco negro supermassivo central que pesa milhões, ou mesmo bilhões, de massas solares. Ao longo de uma escala de bilhões de anos, galáxias podem se fundir várias vezes; eventualmente, seus buracos negros centrais também podem se fundir. Estes eventos não são frequentes para galáxias individuais, mas porque existem trilhões de galáxias no universo observável, uma fusão detectável deve ocorrer em algum lugar pelo menos algumas vezes por ano., Os cientistas também estão buscando uma forma separada de detectar ondas gravitacionais a partir de pares destes gigantes em estágios iniciais de suas órbitas. Usando radiotelescópios, eles monitoram pulsares dentro da Via Láctea e procuram pequenas variações em seus sinais, causadas pela passagem de ondas gravitacionais através da galáxia. Hoje, há três “matrizes de pulsar”, na Austrália, Europa e América do Norte, e uma quarta formação na China.,

Obrigado LISA planejada sensibilidade, e as fortes sinais produzidos por uma espiral de buracos negros supermassivos, o observatório deve ser capaz de pegar ondas gravitacionais de pares de buracos negros supermassivos meses antes de série, e ver a concentração em detalhes suficientes para testar a relatividade geral com alta precisão. Após anos de operação, LISA poderia acumular eventos distantes suficientes para os pesquisadores reconstruírem a formação hierárquica de galáxias — como pequenas se combinavam para formar maiores e maiores — na história do universo., no terreno, também, os físicos estão começando alguns “grandes novos empreendimentos”, diz Weiss. Uma equipe dos EUA prevê um explorador cósmico com 40 quilômetros detectando armas-10 vezes mais longas que as de LIGO’s — que seria sensível a sinais de eventos muito mais distantes, talvez em todo o universo observável.

O conceito para o telescópio Einstein na Europa exige um detector com braços de 10 km dispostos num triângulo equilátero e colocados em túneis a cerca de 100 metros de profundidade., As condições de silêncio poderiam ajudar a ampliar o alcance do observatório, para frequências de um décimo aquelas detectáveis por máquinas atuais. Isso pode permitir que os cientistas encontrem buracos negros além da faixa que se pensa ser proibida pela Supernova de instabilidade de pares; em massas suficientemente altas, as estrelas devem ter um mecanismo de colapso diferente e ser capazes de formar buracos negros de 100 massas solares ou mais.se os cientistas tiverem sorte, as ondas gravitacionais podem mesmo permitir-lhes aceder à física do próprio Big Bang, em épocas que não são observáveis por qualquer outro meio., Nos primeiros instantes do universo, duas forças fundamentais — a força eletromagnética e a fraca força nuclear — eram indistinguíveis. Quando essas forças se separaram, elas podem ter produzido ondas gravitacionais que, hoje, podem aparecer como um “assobio Aleatório” detectável por LISA, diz Schutz. Este sinal hipotético é distinto de um comprimento de onda muito mais longo do que o anterior, que pode aparecer na mais antiga radiação visível do Universo: o fundo cósmico de microondas., Em 2014, uma equipe relatou6 que tinha observado este efeito com o telescópio BICEP2 no Polo Sul, mas os pesquisadores mais tarde reconheceram problemas com essa interpretação7. com a reabertura de LIGO e Virgem no final deste ano, a próxima grande descoberta na lista de desejos de Weiss é o sinal de uma estrela em colapso — algo que os astrônomos também podem observar como um tipo de supernova. Mas ele tem grandes esperanças no que mais poderia estar no horizonte. “Se não virmos algo que não tínhamos pensado”, diz Weiss. “Ficaria desapontado.”