Após 15 anos “à escuta”, encontradas as primeiras evidências do fundo estocástico de ondas gravitacionais

30 Junho, 2023 Buracos negros, Cosmologia, Telescópios Profissionais Deixe um comentário

Astrofísicos, utilizando grandes radiotelescópios com o objetivo de observar uma coleção de “relógios” cósmicos na nossa Galáxia, encontraram evidências da existência de ondas gravitacionais que oscilam com períodos de anos a décadas, de acordo com um conjunto de artigos publicados na revista The Astrophysical Journal Letters. O sinal das ondas gravitacionais foi observado em 15 anos de dados obtidos pelo PFC (Physics Frontiers Center) do NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves), uma colaboração de mais de 190 cientistas dos EUA e do Canadá que utilizam pulsares para procurar ondas gravitacionais. As colaborações internacionais que utilizam telescópios na Europa, Índia, Austrália e China registaram resultados semelhantes de forma independente.

Embora resultados anteriores do NANOGrav tenham revelado um sinal temporal enigmático comum a todos os pulsares observados, era demasiado ténue para revelar a sua origem. A publicação dos dados de 15 anos demonstra que o sinal é consistente com ondas gravitacionais ondulantes que passam lentamente pela nossa Galáxia.

Esta ilustração mostra estrelas, buracos negros e nebulosas dispostos sobre uma grelha que representa o tecido do espaço-tempo. As ondulações neste tecido são chamadas ondas gravitacionais. A colaboração NANOGrav detetou indícios de ondas gravitacionais criadas por buracos negros com milhares de milhões de vezes a massa do Sol.
Crédito: Colaboração NANOGrav; Aurore Simonet

“Esta é uma evidência fundamental da existência de ondas gravitacionais a frequências muito baixas”, afirma o Dr. Stephen Taylor, da Universidade de Vanderbilt, que coliderou a investigação e é o atual presidente da colaboração. “Após anos de trabalho, o NANOGrav está a abrir uma janela inteiramente nova sobre o Universo das ondas gravitacionais.”

Ao contrário das fugazes ondas gravitacionais de alta frequência observadas por instrumentos terrestres como o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), este sinal contínuo de baixa frequência só poderia ser percebido com um detetor muito maior do que a Terra. Para responder a esta necessidade, os astrónomos transformaram o nosso sector da Via Láctea numa enorme antena de ondas gravitacionais, recorrendo a estrelas exóticas chamadas pulsares. O esforço de 15 anos do NANOGrav recolheu dados de 68 pulsares para formar um tipo de detetor chamado PTA (pulsar timing array).

Os pulsares são remanescentes ultradensos do núcleo de uma estrela massiva após a sua morte numa explosão de supernova. Os pulsares giram rapidamente e “varrem” feixes de ondas de rádio através do espaço, de modo a parecerem “pulsar” quando vistos da Terra. Os objetos mais rápidos, chamados pulsares de milissegundo, giram centenas de vezes por segundo. Os seus pulsos são muito estáveis, o que os torna úteis como relógios cósmicos precisos.

Ao longo de 15 anos de observações com o Observatório de Arecibo, em Porto Rico, com o GBT (Green Bank Telescope), no estado norte-americano da Virgínia Ocidental e com o VLA (Very Large Array), no Novo México, EUA, o NANOGrav veio a aumentar gradualmente o número de pulsares que observa. “Os pulsares são fontes de rádio muito ténues, pelo que necessitamos de milhares de horas por ano, nos maiores telescópios do mundo, para realizar esta experiência”, explica a Dra. Maura McLaughlin da Universidade da Virgínia Ocidental e codiretora do PFC do NANOGrav. “Estes resultados são possíveis graças ao compromisso contínuo da NSF (National Science Foundation) com estes radiobservatórios excecionalmente sensíveis.”

A teoria da relatividade geral de Einstein prevê com precisão a forma como as ondas gravitacionais devem afetar os sinais dos pulsares. Ao esticar e comprimir o tecido do espaço, as ondas gravitacionais afetam o tempo de cada pulso de uma forma pequena, mas previsível, atrasando alguns e adiantando outros. Estes desvios estão correlacionados para todos os pares de pulsares de uma forma que depende da distância a que as duas estrelas de neutrões aparecem no céu.

“O grande número de pulsares usados na análise do NANOGrav permitiu-nos ver o que pensamos serem os primeiros sinais do padrão de correlação previsto pela relatividade geral”, diz o Dr. Xavier Siemens, da Universidade do Estado do Oregon, codiretor do PFC do NANOGrav.

A observação de tantos pulsares requer um enorme investimento em pessoas, infraestruturas e tempo. Em 2004, um pequeno grupo de astrónomos levou a cabo o primeiro conjunto de observações de pulsares que viria a constituir a base deste trabalho. Durante quase duas décadas, o grupo tem vindo a aumentar o número de pessoas e a diversidade de conhecimentos necessários para efetuar esta complexa pesquisa por ondas gravitacionais. Ao longo do caminho, a colaboração NANOGrav tomou forma, utilizando os conhecimentos e competências combinados dos membros para expandir a recolha de dados e melhorar a análise.

Inicialmente, a instrumentação para os pulsares não era suficientemente precisa para atingir a sensibilidade necessária para esta experiência. A equipa trabalhou para desenvolver a instrumentação de próxima geração para os telescópios de Arecibo e Green Bank. A equipa procurou pulsares conhecidos para encontrar os que eram suficientemente precisos para permitir a procura de ondas gravitacionais de baixa frequência e adicionou-os ao conjunto PTA. Paralelamente, houve avanços na teoria e descobertas em técnicas de análise de dados que estão ajustadas e otimizadas para arquiteturas modernas de computação.

Ao longo do caminho, o NANOGrav encontrou muitas utilizações para os seus valiosos dados PTA, abordando uma vasta gama de intrigantes enigmas astrofísicos. Os dados e as metodologias do NANOGrav estão descritos em artigos científicos complementares. “Esta é a primeira vez que divulgamos o software utilizado para produzir o nosso conjunto de dados juntamente com os próprios produtos dos dados”, explica o Dr. Joseph Swiggum do Lafayette College, que liderou o estudo PTA. “Todas as ferramentas necessárias para reproduzir os nossos resultados são agora públicas, facilitando o envolvimento de outros cientistas. Isto irá promover melhorias no código, aumentar as nossas interações com a comunidade e proporcionar oportunidades educativas para os estudantes”.

Em 2020, com pouco mais de doze anos de dados, os cientistas do NANOGrav começaram a ver indícios de um sinal, um “zumbido” extra que era comum ao comportamento temporal de todos os pulsares na matriz e que a cuidadosa consideração de possíveis explicações alternativas não conseguiu eliminar. A colaboração sentiu-se confiante de que este sinal era real e que se tornava mais fácil de detetar à medida que mais observações eram incluídas. Mas era ainda demasiado ténue para mostrar a assinatura de ondas gravitacionais prevista pela relatividade geral. Agora, os seus 15 anos de observações de pulsares estão a mostrar as primeiras evidências da presença de ondas gravitacionais, com períodos de anos a décadas.

A Dra. Sarah Vigeland, da Universidade de Wisconsin-Milwaukee, que, juntamente com Taylor, está a liderar os esforços do NANOGrav para determinar a origem do sinal, afirma: “Agora que temos evidências da existência de ondas gravitacionais, o próximo passo é utilizar as nossas observações para estudar as fontes que produzem este zumbido. Uma possibilidade é que o sinal provenha de pares de buracos negros supermassivos, com massas milhões ou milhares de milhões de vezes superiores à do nosso Sol. À medida que estes gigantescos buracos negros se orbitam, produzem ondas gravitacionais de baixa frequência”.

Pensa-se que os buracos negros supermassivos residem nos centros das maiores galáxias do Universo. Quando duas galáxias se fundem, os buracos negros de cada uma acabam por se afundar para o centro da galáxia recém-combinada, orbitando-se mutuamente como um sistema binário muito depois da fusão inicial das galáxias. Eventualmente, os dois buracos negros fundem-se. Entretanto, a sua lenta espiral estica e comprime o tecido do espaço-tempo, gerando ondas gravitacionais que se propagam para longe da galáxia de origem como ondulações num lago, acabando por chegar à nossa.

Os buracos negros supermassivos binários, nos núcleos das galáxias, produzem ondas electromagnéticas desde o rádio aos raios gama que podem ser detetadas por telescópios na Terra e no espaço. Produzem também ondas gravitacionais que podem ser estudadas através dos seus efeitos numa matriz de pulsares. Estes dois mensageiros, ondas electromagnéticas e gravitacionais, fornecem informações extremamente valiosas que não podem ser obtidas apenas com um dos tipos de observação.
Crédito: Olena Shmahalo

Espera-se que os sinais de ondas gravitacionais destes binários gigantescos se sobreponham, como vozes numa multidão ou instrumentos numa orquestra, produzindo um “zumbido” geral de fundo que imprime um padrão único nos dados temporais dos pulsares. Este padrão é o que os cientistas do NANOGrav procuram há quase 20 anos. No seu conjunto de artigos recentemente publicados, o NANOGrav demonstra a evidência deste fundo de ondas gravitacionais.

A análise detalhada do zumbido de fundo já está a fornecer informações sobre a forma como os buracos negros supermassivos crescem e se fundem. Tendo em conta a força do sinal que o NANOGrav deteta, a população de buracos negros binários extremamente massivos no Universo deve ser de centenas de milhares, talvez mesmo milhões.

“A dada altura, os cientistas estavam preocupados com o facto de os buracos negros supermassivos binários se orbitarem uns aos outros para sempre, nunca se aproximando o suficiente para gerar um sinal como este”, diz o Dr. Luke Kelley, da Universidade da Califórnia, Berkeley, e presidente do grupo de astrofísica do NANOGrav. “Mas agora temos finalmente fortes evidências de que muitos destes binários extremamente massivos e íntimos existem de facto. Quando os dois buracos negros se aproximam o suficiente para serem vistos pela PTA, nada os pode impedir de se fundirem dentro em apenas alguns milhões de anos”.

A investigação futura deste sinal contribuirá para que os cientistas compreendam como o Universo evoluiu às maiores escalas, fornecendo informações sobre a frequência com que as galáxias colidem e o que leva os buracos negros a fundirem-se. Além disso, as ondulações gravitacionais do próprio Big Bang podem constituir uma fração do sinal, fornecendo uma visão sobre a formação do próprio Universo. Estes resultados têm até implicações a escalas mais pequenas, colocando limites no tipo de partículas exóticas que podem existir no nosso Universo. “Este é um marco importante no esforço multifacetado da NSF para aproveitar os sinais das ondas gravitacionais e obter uma compreensão mais clara dos fenómenos na fronteira astrofísica”, afirma Michael Cavagnero, Diretor do Programa PFC da NSF.

Com o tempo, o NANOGrav espera poder detetar as contribuições de buracos negros supermassivos binários relativamente próximos. “Estamos a usar um detetor de ondas gravitacionais do tamanho da Galáxia que é feito de estrelas exóticas, o que me deixa boquiaberto”, exclama o Dr. Scott Ransom, do NRAO (National Radio Astronomy Observatory). “Os nossos dados anteriores diziam-nos que estávamos a ouvir algo, mas não sabíamos o quê. Agora sabemos que se trata de música proveniente do Universo gravitacional. À medida que continuamos a ouvir, é provável que consigamos apanhar as notas dos instrumentos que tocam nesta orquestra cósmica. A combinação destes resultados das ondas gravitacionais com estudos da estrutura e evolução das galáxias irá revolucionar a nossa compreensão da história do Universo”.

O apoio da NSF tem sido fundamental para o sucesso do NANOGrav, fornecendo suporte ao trabalho científico através do programa PFC e do acesso a vários radiotelescópios de classe mundial. Os resultados futuros do NANOGrav irão incorporar dados do telescópio CHIME do Canadá, adicionado ao projeto em 2019.

“A equipa do NANOGrav da NSF criou, na sua essência, um detetor com o tamanho da Galáxia que revela as ondas gravitacionais que permeiam o nosso universo”, afirma o Diretor da NSF, Sethuraman Panchanathan. “A colaboração, que envolve instituições de investigação espalhadas pelos EUA, mostra que a inovação científica de classe mundial pode, deve e chega a todas as partes da nossa nação.”

Os astrofísicos de todo o mundo têm estado ocupados a perseguir este sinal de ondas gravitacionais. Vários artigos publicados pelo PPTA (Parkes Pulsar Timing Array) na Austrália, pelo CPTA (Chinese Pulsar Timing Array) e pelo EPTA (European Pulsar Timing Array)/InPTA (Indian Pulsar Timing Array) relatam indícios do mesmo sinal nos seus dados. Através do consórcio IPTA (International Pulsar Timing Array), as colaborações regionais estão a trabalhar em conjunto para combinar os seus dados, a fim de melhor caracterizar o sinal e procurar novos tipos de fontes. “Os nossos dados combinados serão muito mais poderosos”, diz Taylor. “Estamos entusiasmados por descobrir os segredos que irão revelar sobre o nosso Universo.”