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A taxa de expansão do universo é um dos temas centrais da cosmologia moderna — e também um dos maiores enigmas atuais da física.
A chamada “tensão de Hubble” descreve a discrepância entre diferentes formas de calcular a constante de Hubble, parâmetro que mede a velocidade com que o cosmos está se expandindo. Agora, pesquisadores apontam que as ondas gravitacionais, pequenas ondulações no espaço-tempo, podem oferecer um novo caminho para enfrentar esse impasse.
Os cientistas sabem desde 1998 que o universo não apenas está se expandindo, mas que essa expansão ocorre de forma acelerada. Para explicar o fenômeno, foi introduzido o termo “energia escura”, designação provisória para a força misteriosa que impulsiona essa aceleração.
Ainda assim, mesmo após mais de duas décadas de investigação, permanece uma questão central: qual é exatamente o valor da taxa de expansão do universo?
Qual é a velocidade de expansão do universo?
- A tensão surge porque diferentes métodos levam a resultados distintos;
- Quando a constante de Hubble é calculada a partir do universo local e atual, utilizando supernovas do Tipo Ia como parte de uma espécie de régua cósmica, obtém-se um valor;
- Já quando o cálculo parte do universo distante e primordial, com base no modelo padrão da cosmologia, chega-se a outro número;
- Diante dessa divergência, cientistas vêm buscando uma terceira forma independente de medir a constante de Hubble.
Uma equipe da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e da Universidade de Chicago acredita que a resposta pode estar nas ondas gravitacionais.
“Este resultado é muito significativo — é importante obter uma medição independente da constante de Hubble para resolver a atual tensão de Hubble”, afirmou Nicolas Yunes, líder do estudo e diretor fundador do Illinois Center for Advanced Studies of the Universe (ICASU), em comunicado. “Nosso método é uma forma inovadora de aumentar a precisão das inferências da constante de Hubble usando ondas gravitacionais.”
Por que ondas gravitacionais?
A história das ondas gravitacionais começa em 1915, com a teoria da relatividade geral de Albert Einstein. Segundo a teoria, objetos com massa deformam o tecido do espaço-tempo e essa curvatura é o que percebemos como gravidade. Quanto maior a massa, maior a deformação.
A relatividade geral também prevê que, quando objetos aceleram no espaço-tempo, produzem ondulações que se propagam à velocidade da luz: as ondas gravitacionais. A primeira detecção ocorreu em 2015, pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO, na sigla em inglês), nos Estados Unidos. O sinal veio da colisão e fusão de dois buracos negros massivos a cerca de 1,3 bilhão de anos-luz da Terra.
Desde então, além do LIGO, os detectores Virgo (na Itália) e KAGRA (no Japão) registraram ondas gravitacionais oriundas de diversas fusões entre pares de buracos negros, pares de estrelas de nêutrons e até mesmo da fusão mista entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons.
As ondas gravitacionais já haviam sido propostas anteriormente como ferramenta para medir a constante de Hubble, mas a limitação era a precisão. A equipe agora propõe uma abordagem que, segundo os pesquisadores, pode superar esse obstáculo e ganhar ainda mais robustez conforme os detectores se tornem mais sensíveis.
“Não é todo dia que você desenvolve uma ferramenta inteiramente nova para a cosmologia. Mostramos que, ao usar o zumbido de fundo das ondas gravitacionais provenientes de fusões de buracos negros em galáxias distantes, podemos aprender sobre a idade e a composição do universo”, afirmou Daniel Holz, da Universidade de Chicago (EUA).
“Esta é uma direção empolgante e completamente nova e esperamos aplicar nossos métodos a conjuntos de dados futuros para ajudar a restringir a constante de Hubble, bem como outras quantidades cosmológicas importantes.”
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Método da “sirene estocástica”
Para usar ondas gravitacionais na medição da constante de Hubble, é necessário determinar a velocidade com que os eventos que geram essas ondas estão se afastando de nós — e não apenas estimar sua distância. Isso exige que astrônomos também identifiquem a luz, ou radiação eletromagnética, emitida por esses eventos ou pelas galáxias que os hospedam.
Ao comparar essas duas formas de observação, no que é conhecido como “astronomia multimensageira”, os cientistas podem obter dois valores para a constante de Hubble: um baseado apenas em radiação eletromagnética e outro combinando radiação eletromagnética e ondas gravitacionais. Se os resultados não coincidirem, a tensão de Hubble permanece, indicando que há algo sobre o universo primitivo ou o universo atual que ainda não foi devidamente compreendido.
A técnica proposta pela equipe é chamada de método da “sirene estocástica”. Em vez de se concentrar apenas em eventos individuais, os pesquisadores analisam o chamado fundo de ondas gravitacionais — uma espécie de zumbido cósmico gerado por inúmeras colisões distantes que não conseguimos observar separadamente.
“Como estamos observando colisões individuais de buracos negros, podemos determinar as taxas dessas colisões em todo o universo”, explicou o pesquisador Cousins. “Com base nessas taxas, esperamos que existam muito mais eventos que não conseguimos observar, o que é chamado de fundo de ondas gravitacionais.”
Os pesquisadores argumentam que valores mais baixos da constante de Hubble implicariam um volume menor de espaço disponível para que colisões ocorram, resultando em maior densidade de eventos e, consequentemente, em um sinal mais intenso do fundo de ondas gravitacionais. Se esse fundo não for detectado, isso pode indicar um valor mais alto para a constante de Hubble.
Embora o consórcio LIGO-Virgo-KAGRA ainda não tenha sensibilidade suficiente para detectar diretamente esse fundo, a equipe aplicou o método da sirene estocástica aos dados já coletados. O resultado apontou para valores mais elevados da constante de Hubble, sugerindo taxa de expansão universal mais rápida.
Segundo os autores, trata-se ainda de uma prova de conceito. Nos próximos seis anos, com o aumento da sensibilidade dos detectores, será possível restringir melhor os valores da constante de Hubble.
Após esse período, os instrumentos deverão ser capazes de “ouvir” grande parte do fundo de ondas gravitacionais, permitindo uma medição independente da constante e, potencialmente, o fim da tensão 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 detectá-lo”, disse Cousins. “Ao incluir essas informações, esperamos obter resultados cosmológicos melhores e estar mais próximos de resolver a tensão de Hubble.”
O estudo foi publicado na edição de março da revista Physical Review Letters.
