Colisões de buracos negros podem nos ajudar a medir o quão rápido o Universo está se expandindo

Traduzido por Julio Batista
Original de Louise Lerner para UChicago

Em um novo estudo publicado na Physical Review Letters, dois astrofísicos da Universidade de Chicago (EUA) estabeleceram um método de como usar pares de buracos negros em colisão para medir a rapidez com que nosso Universo está se expandindo – e, assim, entender como o Universo evoluiu, do que é feito, e para onde está indo. Em particular, os cientistas pensam que a nova técnica, que eles chamam de “sirene espectral”, pode nos contar sobre os anos de “adolescência” do Universo.

Um princípio cósmico

Um grande debate científico em andamento é exatamente o quão rápido o Universo está se expandindo – um número chamado constante de Hubble. Os diferentes métodos disponíveis até agora produzem respostas ligeiramente diferentes, e os cientistas estão ansiosos para encontrar maneiras alternativas de medir essa taxa. Verificar a precisão desse número é especialmente importante porque afeta nossa compreensão de questões fundamentais como a idade, a história e a composição do Universo.

O novo estudo oferece uma maneira de fazer esse cálculo, usando detectores especiais que captam os ecos cósmicos das colisões de buracos negros.

Ocasionalmente, dois buracos negros se chocam – um evento tão poderoso que literalmente cria uma onda no espaço-tempo que viaja pelo Universo. Aqui na Terra, o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser dos EUA (LIGO) e o observatório italiano Virgo podem captar essas ondulações, que são chamadas de ondas gravitacionais.

Nos últimos anos, o LIGO e o Virgo coletaram as leituras de quase 100 pares de buracos negros colidindo.

O sinal de cada colisão contém informações sobre a massa dos buracos negros. Mas o sinal está viajando pelo espaço e, durante esse tempo, o universo se expandiu, o que altera as propriedades do sinal. “Por exemplo, se você pegar um buraco negro e registrá-lo como mais antigo no Universo, o sinal mudaria e pareceria um buraco negro maior do que realmente é”, explicou o astrofísico da UChicago Daniel Holz, um dos dois autores do estudo do paper.

Se os cientistas puderem descobrir uma maneira de medir como esse sinal mudou, eles podem calcular a taxa de expansão do Universo. O problema é a calibração: como eles sabem o quanto mudou em relação ao original? Em seu novo paper, Holz e o primeiro autor Jose María Ezquiaga sugerem que eles podem usar nosso novo conhecimento sobre toda a população de buracos negros como uma ferramenta de calibração. Por exemplo, as evidências atuais sugerem que a maioria dos buracos negros detectados tem entre cinco e 40 vezes a massa do nosso Sol. “Então, medimos as massas dos buracos negros próximos e entendemos suas características, e então olhamos mais longe e vemos o quanto esses outros parecem ter mudado”, disse Ezquiaga, bolsista de pós-doutorado em Einstein da NASA e bolsista do Instituto Kavli de Física Cosmológica trabalhando com Holz na UChicago. “E isso lhe dá uma medida da expansão do Universo.”

Os autores apelidam-no de método de “sirene espectral”, uma nova abordagem ao método de ‘sirene padrão’ que Holz e colaboradores foram pioneiros. (O nome é uma referência aos métodos de ‘vela padrão’ também usados ​​em astronomia.)

Os cientistas estão animados porque no futuro, à medida que as capacidades do LIGO se expandem, o método pode fornecer um indicador único para os anos “adolescentes” do Universo – cerca de 10 bilhões de anos atrás – que são difíceis de estudar com outros métodos.

Os pesquisadores podem usar o fundo cósmico de micro-ondas para observar os primeiros momentos do Universo, e podem observar galáxias próximas à nossa própria galáxia para estudar a história mais recente do Universo. Mas o período intermediário é mais difícil de alcançar e é uma área de especial interesse científico.

“Foi nessa época que mudamos da matéria escura como força predominante no Universo para a energia escura, e estamos muito interessados ​​em estudar essa transição crítica”, disse Ezquiaga.

A outra vantagem desse método, disseram os autores, é que há menos incertezas criadas por lacunas em nosso conhecimento científico. “Ao usar toda a população de buracos negros, o método pode se calibrar, identificando e corrigindo erros diretamente”, disse Holz. Os outros métodos usados ​​para calcular a constante de Hubble dependem de nossa compreensão atual da física de estrelas e galáxias, que envolve muita física e astrofísica complicadas. Isso significa que as medições podem ser um pouco prejudicadas se houver algo que ainda não sabemos.

Por outro lado, esse novo método do buraco negro se baseia quase exclusivamente na teoria da gravidade de Einstein, que é bem estudada e resistiu a todas as maneiras pelas quais os cientistas tentaram testá-la até agora.

Quanto mais leituras eles tiverem de todos os buracos negros, mais precisa será essa calibração. “Precisamos preferencialmente de milhares desses sinais, que devemos ter em alguns anos, e ainda mais na próxima década ou duas”, disse Holz. “Nesse ponto, seria um método incrivelmente poderoso para aprender sobre o Universo”.