Pesquisas publicadas em revistas científicas

As descobertas foram recentemente publicadas na Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP).

Pulsares: relógios cósmicos na noite

O céu noturno contém “relógios cósmicos” extremamente precisos: pulsares, que são estrelas de nêutrons densas que emitem pulsos de rádio em intervalos regulares, marcando o tempo como metrônomos perfeitamente ajustados. Na Terra, telescópios de rádio rastreiam esses pulsos não apenas para aprender sobre os pulsares em si, mas também para usá-los como ferramentas para estudar a estrutura e o comportamento do universo em geral.

Distúrbios no espaço-tempo e suas implicações

Se algo invisível — quase um “fantasma cósmico” — distorcer o espaço-tempo entre um pulsar e a Terra, o tempo de seus pulsos muda ligeiramente. Essas alterações não são aleatórias; vários pulsares em certas partes do céu podem mostrar variações correspondentes, como se uma onda invisível e lenta estivesse atravessando o espaço.

Busca por ondas gravitacionais de baixíssima frequência

“Em 2023, várias colaborações de temporização de pulsares — NANOGrav nos EUA e equipes europeias — anunciaram fortes evidências de ondas gravitacionais de nanohertz,” observa Asada. Nanohertz refere-se a períodos de onda de meses a anos, com comprimentos de onda de vários anos-luz. Para investigar essas escalas, dependemos de pulsares distantes e estáveis a centenas ou milhares de anos-luz de distância. “O sinal foi estatisticamente confiável, mas abaixo do limite de 5-sigma que os físicos de partículas geralmente exigem,” continua ele. “É uma ‘evidência forte’, mas ainda não uma detecção confirmada; no entanto, a comunidade de cosmologia e astrofísica acredita que estamos nos aproximando da primeira detecção de ondas gravitacionais de nanohertz.”

Investigando a origem das ondas gravitacionais

Embora a evidência seja promissora, ainda não há confirmação absoluta. Asada observa que, se dados futuros fortalecerem o resultado, o próximo passo será identificar a origem. “Existem duas principais fontes candidatas para ondas gravitacionais de nanohertz,” explica ele. “Uma é a inflação cósmica, que teria criado flutuações no espaço-tempo no início do universo, mais tarde esticadas a escalas cósmicas. A outra são binários de buracos negros supermassivos, que se formam quando galáxias colidem. Ambos os cenários poderiam gerar ondas gravitacionais de nanohertz.”

Distinguir entre inflação cósmica e binários de buracos negros

Distinguir entre essas possibilidades tem sido difícil porque os padrões de correlação vistos nos dados dos pulsares — a maneira como as diferenças de tempo entre os pulsares se relacionam uns com os outros — foram uma vez considerados semelhantes em ambos os casos. “Em nosso artigo, exploramos a situação em que um par próximo de buracos negros supermassivos produz um sinal particularmente forte,” diz Asada. “Se dois desses sistemas têm frequências muito semelhantes, suas ondas podem interferir e criar um padrão de batida, como na acústica. Essa característica poderia, em princípio, permitir-nos distinguir entre elas e o fundo estocástico da inflação.”

Utilizando efeitos acústicos na detecção de ondas gravitacionais

Asada e Yamamoto, portanto, aproveitam um efeito acústico familiar: batidas. Quando duas ondas têm quase — mas não exatamente — a mesma frequência, sua superposição provoca um fortalecimento e enfraquecimento periódico. Aplicado a ondas gravitacionais, dois binários de buracos negros supermassivos com frequências semelhantes imprimiriam uma modulação característica no sinal de temporização dos pulsares. O método consiste em procurar essa modulação — a “batida” — nos padrões de correlação dos pulsares. Se estiver presente, isso sugere fortemente que o sinal não é de um fundo difuso, mas se origina de binários específicos e relativamente próximos.

Expectativas para futuras confirmações

Agora aguardamos uma confirmação mais forte da natureza do sinal dos pulsares. “Acredito que, uma vez que uma detecção confirmada a 5-sigma seja alcançada, talvez dentro de alguns anos, o próximo passo será perguntar: qual é a origem das ondas? Nesse ponto, nosso método poderia ser útil para distinguir se elas vêm da inflação ou de binários de buracos negros supermassivos próximos,” conclui Asada.