Um sutil sussurro cósmico pode desvendar o enigma da expansão do Universo.

Um grupo de astrofísicos e cosmólogos da Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e da Universidade de Chicago introduziu uma nova forma de calcular a constante de Hubble usando ondas gravitacionais, que são pequenas ondulações no espaço-tempo. Sua abordagem melhora a precisão das técnicas anteriores baseadas em ondas gravitacionais. À medida que os detectores se tornam mais sensíveis, esse método pode fornecer medições ainda mais afiadas, potencialmente ajudando os cientistas a fechar a lacuna em relação à tensão de Hubble.

O professor de física da Illinois, Nicolás Yunes, disse: “Esse resultado é muito significativo — é importante obter uma medida independente da constante de Hubble para resolver a atual tensão de Hubble. Nosso método é uma maneira inovadora de aumentar a precisão das inferências da constante de Hubble utilizando ondas gravitacionais.” Yunes é o diretor fundador do Illinois Center for Advanced Studies of the Universe (ICASU) no campus de Urbana.

Daniel Holz, professor de física e de astronomia e astrofísica da UChicago e coautor da pesquisa, afirmou: “Não é todo dia que você tem uma ferramenta totalmente nova para a cosmologia. Mostramos que, ao usar o zumbido gravitacional de fundo de buracos negros em fusão em galáxias distantes, podemos aprender sobre a idade e a composição do universo. Esta é uma direção emocionante e completamente nova, e esperamos aplicar nossos métodos a futuros conjuntos de dados para ajudar a restringir a constante de Hubble, bem como outras quantidades cosmológicas importantes.”

A equipe de pesquisa também inclui o estudante de pós-graduação em física da Illinois, Bryce Cousins, um Fellow de Pesquisa de Graduação da NSF e autor principal do estudo; a estudante de pós-graduação em física da Illinois, Kristen Schumacher, também uma Fellow de Pesquisa de Graduação da NSF; o associado de pesquisa pós-doutoral em física da Illinois, Ka-wai Adrian Chung; e os pesquisadores pós-doutorais da Universidade de Chicago, Colm Talbot e Thomas Callister, ambos Fellows do Instituto Kavli para Física Cosmológica. As descobertas foram aceitas para publicação na Physical Review Letters e aparecerão na edição de 11 de março. O artigo completo já está disponível no arXiv.

Como os Cientistas Medem a Expansão do Universo

Desde o início do século XX, os pesquisadores confiavam em duas estratégias principais para medir a expansão cósmica. Uma abordagem usa observações eletromagnéticas, enquanto a outra utiliza ondas gravitacionais. Um método eletromagnético bem conhecido envolve “velas padrão”, como supernovas, que são explosões estelares poderosas. Como os astrônomos entendem quão brilhantes esses eventos realmente são, eles podem calcular tanto a distância deles da Terra quanto quão rápido estão se afastando. Combinando esses números, revela-se a taxa de expansão do universo.

Nos últimos anos, as ondas gravitacionais abriram outro caminho. Essas ondas são produzidas quando objetos extremamente densos, como buracos negros, colidem. As ondulações se movem pelo espaço na velocidade da luz, semelhante às ondas circulares que se espalham pela água após uma pedra ser jogada em um lago. Na Terra, a Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), uma rede global com mais de 2.000 membros, detecta esses sinais.

As ondas gravitacionais também podem ser usadas para estimar distâncias através do que é conhecido como o método do “siren comum”. No entanto, determinar quão rápido a fonte está recuando devido à expansão cósmica é mais difícil. Para medir essa velocidade, os astrônomos normalmente precisam detectar a luz da fusão ou identificar a galáxia onde ocorreu.

Idealmente, todas essas técnicas deveriam apontar para a mesma constante de Hubble. No entanto, elas discordam. Se a tensão persistir, isso poderia sinalizar que os cientistas precisam revisar sua compreensão do universo primitivo. Explicações propostas incluem energia escura primitiva, interações entre matéria escura e neutrinos, ou mudanças na forma como a energia escura se comporta ao longo do tempo.

Um Novo Método de Fundo de Ondas Gravitacionais

No trabalho mais recente, Yunes, Cousins e seus colegas descrevem uma nova maneira de estimar a constante de Hubble estudando colisões de buracos negros que os detectores atuais não conseguem captar individualmente. Juntos, esses incontáveis eventos tênues criam o que é chamado de fundo de ondas gravitacionais.

“Porque estamos observando colisões individuais de buracos negros, podemos determinar as taxas dessas colisões ocorrendo em todo o universo. Com base nessas taxas, esperamos que haja muito mais eventos que não conseguimos observar, o que é chamado de fundo de ondas gravitacionais,” explica Cousins.

A equipe mostrou que se a constante de Hubble fosse menor, o volume total observável do universo também seria menor. Isso significaria que as colisões de buracos negros estão concentradas em um espaço mais apertado, aumentando a força geral do fundo de ondas gravitacionais. Se esse sinal de fundo não for detectado em um certo nível, isso elimina taxas de expansão mais lentas.

Os pesquisadores chamam sua abordagem de método do sirene estocástico, refletindo a natureza aleatória das colisões que contribuem para o fundo de ondas gravitacionais.

Usando os dados atuais do LVK, a equipe testou seu método. Mesmo sem detectar diretamente o fundo de ondas gravitacionais, eles conseguiram descartar taxas de expansão particularmente lentas. Quando combinaram o método do sirene estocástico com medições existentes de fusões individuais de buracos negros, alcançaram uma estimativa mais precisa da constante de Hubble. Seu resultado está dentro da faixa associada à tensão de Hubble, demonstrando o potencial do método para aprimorar medições futuras.

À medida que os observatórios de ondas gravitacionais melhoram, essa estratégia deve se tornar ainda mais poderosa. Os cientistas esperam que o fundo de ondas gravitacionais seja detectado dentro de cerca de seis anos. Até lá, limites cada vez mais rigorosos sobre o sinal de fundo continuarão a restringir a gama possível da constante de Hubble.

“Isso deve abrir caminho para aplicar esse método no futuro à medida que continuamos a aumentar a sensibilidade, restringir melhor o fundo de ondas gravitacionais e talvez até mesmo detectá-lo,” diz Cousins. “Ao incluir essas informações, esperamos obter melhores resultados cosmológicos e estar mais perto de resolver a tensão de Hubble.”

Apoio à Pesquisa e Recursos Computacionais

A análise dependeu do Illinois Campus Cluster, operado pelo Illinois Campus Cluster Program em parceria com o National Center for Supercomputing Applications.

O financiamento veio do NSF Graduate Research Fellowship Program sob o Grant No. DGE 21-46756 e Grant No. DGE-1746047 e do NSF sob o prêmio PHY-2207650, PHY-2207650 e PHY2110507. Suporte adicional foi fornecido pela Simons Foundation através do Award No. 896696 e pela NASA através do Grant No. 80NSSC22K0806. O apoio também veio da Eric and Wendy Schmidt AI in Science Postdoctoral Fellowship e do Instituto Kavli para Física Cosmológica através de um endowment da Kavli Foundation e seu fundador Fred Kavli. As descobertas apresentadas são de responsabilidade dos pesquisadores e não necessariamente dos órgãos de financiamento.