Irregularidades no tempo do pulsar revelam fundo oculto de ondas gravitacionais – Physics World

Irregularidades no tempo do pulsar revelam fundo oculto de ondas gravitacionais – Physics World

Carimbo de data / hora: 29 de junho de 2023 4h36

Imagem de pulsares e buracos negros
Reivindicações cósmicas: os pesquisadores usaram radiotelescópios em todo o mundo para caçar ondas gravitacionais usando as variações sutis no tempo dos pulsares. (Cortesia: Aurore Simonnet para a Colaboração NANOGrav)

O universo está ondulando com uma comoção de fundo de ondas gravitacionais que foram emitidas por pares de buracos negros supermassivos. Isso está de acordo com anos de observações de pulsares que foram conduzidas por várias equipes de radioastrônomos.

Utilizando radiotelescópios na África, Ásia, Austrália, Europa e Estados Unidos, as equipes foram pioneiras na técnica inovadora de observar variações sutis no tempo dos feixes de rádio dos pulsares de milissegundos.

Os pulsares de milissegundos são um dos relógios mais precisos da natureza – estrelas de nêutrons giratórias que enviam pulsos de rádio para nós centenas de vezes por segundo com precisão infalível. À medida que as ondas gravitacionais ondulam pelo espaço entre nós e os pulsares em nossa galáxia, elas distorcem a distância que esses pulsos precisam viajar para nos alcançar em aproximadamente o tamanho de um campo de futebol.

Isso resulta em pulsos de um pulsar chegando à Terra um pouco mais cedo ou um pouco mais tarde, com variações no tempo dos pulsos chegando a bilionésimos de segundo, correspondendo a ondas gravitacionais com frequências no regime de nanohertz.

Esta é uma frequência muito mais baixa do que os eventos de ondas gravitacionais detectados por LIGO e Virgem, que varia de 5 a 20 000 Hz. O comprimento de onda correspondente dessas ondas gravitacionais de fundo é enorme, com as ondas se estendendo entre dois e 10 anos-luz de pico a pico.

Múltiplas detecções

No caso do Matriz Europeia de Temporização Pulsar (EPTA), incorpora cinco dos principais observatórios de rádio na França, Alemanha, Itália, Holanda e Reino Unido, e seus novos resultados abrangem mais de duas décadas de observações. Equipes na Austrália, China, África do Sul e Estados Unidos também publicaram simultaneamente seus dados de tempo de pulsar.

“Estamos todos basicamente vendo a mesma coisa”, Michael Keith da Universidade de Manchester e EPTA disse Mundo da física. “Isso certamente é encorajador.”

O que estamos vendo é um fundo de ruído, com ondas gravitacionais de todo o mundo constantemente lavando a Terra.

Michael Keith

E o que todos estão vendo são inúmeras ondas gravitacionais, todas sobrepostas umas às outras, emitidas por fontes extragalácticas distantes. Pense em ondas caindo em uma praia, uma após a outra e uma em cima da outra.

Keith enfatiza que essas descobertas são diferentes dos eventos distintos observados pelo LIGO, que vêm da fusão de estrelas de nêutrons ou buracos negros de massa estelar.

“O que estamos vendo é um fundo de ruído, com ondas gravitacionais de todo o mundo constantemente lavando a Terra.”

O enigma dos dados mais antigos

No entanto, a descoberta vem com uma nota de cautela. Anteriormente o Matriz Internacional de Temporização Pulsar (IPTA), que é uma organização guarda-chuva para todos os diferentes grupos do mundo que trabalham nessas detecções, estabeleceu um critério para confirmar uma detecção.

“O que é um pouco estranho é que acredito que ninguém atingiu o limite estabelecido pelo IPTA”, diz Keith. “Mas temos bastante confiança nas evidências”.

É abrir uma nova janela e uma nova forma de olhar o universo

Michael Keith

Assumindo que a detecção de fundo de ondas gravitacionais é real, então as ondas gravitacionais estão sendo emitidas por buracos negros supermassivos binários – o tipo que esperamos encontrar nos centros das galáxias. Obtemos dois buracos negros supermassivos quando houve uma fusão de galáxias e, assim como suas galáxias-mãe, eventualmente os buracos negros supermassivos também se fundirão.

Quando isso acontecer, eles emitirão um conjunto mais forte de ondas gravitacionais em uma frequência mais alta que será detectável pelo sensor espacial. Antena Espacial de Interferômetro Laser (LISA), que é uma proposta de missão a ser lançada na década de 2030.

A equipe da EPTA, que trabalhou em conjunto com cientistas indianos e japoneses, também descobriu algo intrigante. Seus telescópios têm observado e cronometrado os pulsares desde a década de 1990, mas o sinal da onda gravitacional foi mais forte no conjunto de dados de 10 anos mais recente. Quando todos os dados foram adicionados, o sinal desapareceu.

“Adicionar mais dados não deve piorar as coisas”, diz Keith. “Isso é algo que nos preocupa um pouco.”

Uma explicação possível é que os dados mais recentes foram coletados usando técnicas e tecnologias de observação mais sofisticadas e que os dados anteriores em comparação eram de qualidade inferior com mais ruído. No entanto, também pode significar que o sinal realmente era mais fraco naquela época.

“É potencialmente muito empolgante porque pode acontecer que o que estamos vendo seja o sinal da onda gravitacional mudando ao longo do tempo”, diz Keith.

Uma janela para um universo exótico

A EPTA baseou seus dados no estudo de 25 dos pulsares de milissegundos mais brilhantes e estáveis ​​da galáxia. A equipe dos Estados Unidos na Centro de Fronteiras de Física NANOGrav teve uma amostra maior de 67 pulsares observados ao longo de 15 anos, então, infelizmente, eles não têm um conjunto de dados mais antigo para comparar com os da EPTA.

De qualquer forma, a quantidade de ondas gravitacionais de fundo sugere uma enorme população de buracos negros supermassivos binários no universo, com centenas de milhares de pares, senão milhões. Esta é uma evidência poderosa para modelos de formação hierárquica de galáxias, segundo os quais as galáxias crescem ao se fundirem com outras galáxias.

O próximo passo é tentar filtrar o fundo e distinguir ondas gravitacionais específicas e rastreá-las até suas fontes, onde os dados podem ser combinados com observações no regime eletromagnético da luz. Há também o potencial para novas e inesperadas descobertas nesta nova fronteira.

“Acho que será bem-vindo em um mundo exótico nos próximos anos”, diz Keith. “É abrir uma nova janela e uma nova forma de ver o universo.”

Os resultados do EPTA são publicados em Astronomia e Astrofísica. As descobertas do NANOGrav foram publicadas na As Cartas do Jornal Astrofísico. Dados do Chinese Pulsar Timing Array são publicados em Pesquisa em Astronomia e Astrofísica. O Australian Parkes Pulsar Timing Array publicou suas descobertas em As Cartas do Jornal Astrofísico e Publicações da Astronomical Society of Australia.

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