Ondas gravitacionais que estão ressoando em todo o universo foram detectadas por uma equipe internacional de astrônomos. Ao envolver estrelas mortas como uma organização gigante de localizadores de ondas gravitacionais, o esforço coordenado – chamado NANOGrav – teve a capacidade de medir um murmúrio de baixa recorrência de uma melodia de ondas do espaço-tempo.
Como astrônomo, minha pesquisa e redação se concentraram em cosmologia, buracos negros e exoplanetas. Usando o Telescópio Espacial Hubble, investiguei como os buracos negros supermassivos se desenvolveram ao longo do tempo.
A equipe que fez essa nova descoberta não tem certeza, mas acredita fortemente que o zumbido de fundo das ondas gravitacionais que mediram foi causado por muitos buracos negros supermassivos que se fundiram no passado.
Ondas no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais são causadas por objetos massivos e em aceleração. Em sua teoria geral da relatividade, que ele supôs que preveria sua existência, Albert Einstein levantou a hipótese de que, quando uma onda gravitacional viaja pelo espaço, ela faz com que o espaço encolha periodicamente e depois se expanda.
Em 2015, o Observatório de ondas gravitacionais com interferômetro a laser, ou LIGO, captou um sinal de um par de buracos negros em fusão que viajaram 1,3 bilhão de anos-luz para chegar à Terra. Esta foi a primeira vez que os pesquisadores observaram diretamente evidências de ondas gravitacionais.
A colaboração NANOGrav também está tentando localizar ondulações do espaço-tempo interestelar. Os pulsares, estrelas mortas que giram rapidamente e emitem um feixe de ondas de rádio, foram usados pela equipe. Os pulsares funcionam de maneira semelhante aos faróis, pois seus feixes rotativos podem atravessar periodicamente a Terra.
O grupo NANOGrav utilizou pulsares que giram incrivelmente rápido – até 1.000 vezes por segundo – e esses batimentos cardíacos podem ser coordenados como o tique-taque de um enorme relógio muito preciso. Quando as ondas gravitacionais viajam na velocidade da luz passando por um pulsar, elas alteram ligeiramente o tempo entre os pulsos, expandindo e contraindo a distância entre o pulsar e a Terra.
Por serem relógios tão precisos, é possível medir seu tique-taque com precisão de cem nanossegundos. Isso possibilita aos astrônomos calcular com precisão de 30 metros a distância entre um pulsar e a Terra. Como a distância entre esses pulsares e a Terra é alterada por ondas gravitacionais em dezenas de quilômetros, os pulsares são capazes de detectar esse efeito com facilidade.
A principal coisa que o grupo NANOGrav precisava fazer era controlar a comoção no seu grandioso identificador de onda gravitacional. Isso incluiu astrofísica sutil que influencia o comportamento do pulsar e o ruído do receptor de rádio. O método da equipe não foi sensível o suficiente para detectar ondas gravitacionais de binários únicos de buracos negros supermassivos, mesmo depois de levar esses efeitos em consideração. No entanto, foi sensível o suficiente para captar até um milhão de sinais sobrepostos de todas as massivas fusões de buracos negros que ocorreram em qualquer lugar do universo desde o Big Bang.
É como estar em um movimentado centro da cidade e ouvir uma leve sinfonia à distância, para usar uma analogia musical. Você só consegue ouvir o zumbido de cem instrumentos, mas não consegue distinguir um único instrumento por causa dos carros e das pessoas ao seu redor. O grupo precisava extrair a marca dessa “fundação” de onda gravitacional de outros sinais rivais.
Ao medir uma rede de 67 pulsares distintos por 15 anos, a equipe conseguiu identificar essa sinfonia. Na chance remota de que alguma perturbação no tique-taque de um pulsar fosse causada por ondas gravitacionais do universo distante, todos os pulsares que o grupo estava observando seriam afetados da mesma forma. A equipe publicou quatro artigos sobre seu projeto e as evidências que encontraram para o fundo da onda gravitacional em 28 de junho de 2023.
A equipe NANOGrav descobriu que buracos negros bilhões de vezes maiores que o Sol se combinam para produzir o zumbido. Ondas gravitacionais com frequências de um bilionésimo de hertz são produzidas por esses buracos negros à medida que giram lentamente um ao redor do outro. Isso implica que as ondas do espaço-tempo têm uma oscilação em intervalos regulares. A equipe teve que confiar na cronometragem extremamente precisa dos pulsares por causa da lenta oscilação da onda.
As ondas que o LIGO é capaz de detectar não são as mesmas dessas ondas gravitacionais. Ondas gravitacionais que oscilam centenas de vezes por segundo são criadas quando dois buracos negros com 10 a 100 vezes a massa do Sol se combinam para formar um objeto que gira rapidamente, resultando nos sinais usados pelo LIGO.
Se você imaginar um buraco negro como um diapasão, quanto menor o evento, mais rápido e alto o diapasão vibrará. As ondas gravitacionais que “tocam” na faixa audível são detectadas pelo LIGO. A equipe do NANOGrav descobriu fusões de buracos negros que “tocam” em uma frequência bilhões de vezes baixa demais para ser ouvida.
As origens das estrelas e galáxias após o Big Bang há muito despertam a curiosidade dos astrônomos. A última descoberta da equipe NANOGrav é comparável à adição de ondas gravitacionais à imagem do universo primordial, que está apenas começando a surgir graças, em grande parte, ao Telescópio Espacial James Webb.
O principal objetivo do Telescópio Espacial James Webb é ajudar os cientistas a descobrir como as primeiras estrelas e galáxias se formaram após o Big Bang. James Webb foi projetado para detectar a luz fraca de estrelas e galáxias extremamente distantes para conseguir isso. Quanto mais longe um artigo está, mais a luz leva para chegar à Terra, então James Webb é uma máquina do tempo que pode retroceder mais de 13,5 bilhões de anos para ver a luz das estrelas primárias e dos mundos conhecidos pelo homem.
Ele encontrou centenas de galáxias que inundaram o universo com luz nos primeiros 700 milhões de anos após o big bang, e a missão foi extremamente bem-sucedida. O centro da galáxia, que se formou apenas 500 milhões de anos após o Big Bang, também abriga o buraco negro mais antigo do universo, descoberto pelo telescópio.
As teorias existentes sobre a evolução do universo são questionadas por essas descobertas.
Uma galáxia enorme leva muito tempo para crescer. Os astrônomos sabem que as massas dos buracos negros supermassivos, que estão no centro de todas as galáxias, são proporcionais às de seus hospedeiros. Portanto, o correspondente buraco negro massivo quase certamente existe nos núcleos dessas antigas galáxias.
A questão é que os objetos que James Webb descobriu são maiores do que a teoria atual prevê que deveriam ser.
A primeira vez que os astrônomos tiveram a chance de ouvir as ondas gravitacionais do universo antigo deu origem às novas descobertas da equipe NANOGrav. Embora as descobertas pareçam promissoras, elas não são fortes o suficiente para considerá-las um avanço. É provável que isso mude agora que a equipe adicionou 115 pulsares à sua rede e espera obter resultados desta próxima pesquisa até 2025. A capacidade de usar ondas gravitacionais para estudar o período de tempo após o Big Bang pode ser uma ferramenta extremamente útil, dado que a pesquisa de James Webb e outras desafiam as teorias existentes sobre como as galáxias evoluíram.
