Fundo de ondas gravitacionais (GWB): um avanço na detecção direta

Onda gravitacional foi detectado diretamente pela primeira vez em 2015, após um século de sua previsão pela Teoria Geral da Relatividade de Einstein em 1916. Mas, o contínuo e de baixa frequência Gravitacional-wave Background (GWB) que se acredita estar presente em todo o universo não foi detectado diretamente até agora. Os pesquisadores do Observatório Norte-Americano Nanohertz para Ondas Gravitacionais (NANOGrav) relataram recentemente a detecção de um sinal de baixa frequência que poderia ser 'Fundo de ondas gravitacionais (GWB)'.   

A teoria geral da relatividade proposta por Einstein em 1916 prevê que os principais eventos cósmicos, como supernova ou fusão de buracos negros deve produzir ondas gravitacionais que se propagam através do Universo. A Terra deveria estar inundada de ondas gravitacionais vindos de todas as direções o tempo todo, mas estes não são detectados porque se tornam extremamente fracos quando chegam à Terra. Demorou cerca de um século para fazer uma detecção direta de ondulações gravitacionais quando, em 2015, a equipe LIGO-Virgo conseguiu detectar com sucesso ondas gravitacionais produzido devido à fusão de dois buracos negros situado a uma distância de 1.3 bilhão de anos-luz da Terra ⁽¹⁾. Isso também significa que as ondulações detectadas são portadoras de informações sobre o evento cósmico que ocorreu cerca de 1.3 bilhão de anos atrás.  

Desde a primeira detecção em 2015, um bom número de ondulações gravitacionais foram registrados até o momento. A maioria deles foi devido à fusão de dois buracos negros, poucos foram devidos à colisão de duas estrelas de nêutrons ⁽²⁾. Todos detectados ondas gravitacionais até agora foram episódicos, causados ​​devido ao par binário de buracos negros ou estrelas de nêutrons espiralando e se fundindo ou colidindo umas com as outras ⁽³⁾ e eram de alta frequência, comprimento de onda curto (na faixa de milissegundos).   

No entanto, como existe a possibilidade de um grande número de fontes de ondas gravitacionais no universo daí muitos ondas gravitacionais juntos de todo o universo pode estar passando continuamente pela terra o tempo todo formando um fundo ou ruído. Deve ser contínuo, aleatório e de ondas pequenas de baixa frequência. Estima-se que parte dela possa até ter se originado do Big Bang. Chamado Gravitacional-wave Background (GWB), isso não foi detectado até agora ⁽³⁾.  

Mas podemos estar à beira de um avanço – os investigadores do Observatório Norte-Americano Nanohertz para Ondas Gravitacionais (NANOGrav) relataram a detecção de um sinal de baixa frequência que poderia ser 'Fundo de onda gravitacional (GWB) ^(4,5,6).  

Ao contrário da equipe LIGO-virgo que detectou onda gravitacional de pares individuais de buracos negros, a equipe NANOGrav procurou por ruído persistente, semelhante a 'combinado' onda gravitacional criado ao longo de um longo período de tempo por incontáveis buracos negros no universo. O foco estava no 'comprimento de onda muito longo' onda gravitacional no outro extremo do “espectro de ondas gravitacionais”.

Ao contrário da luz e de outras radiações eletromagnéticas, as ondas gravitacionais não podem ser observadas diretamente com um telescópio.  

A equipe NANOGrav escolheu milissegundo pulsares (MSPs) que giram muito rapidamente com estabilidade a longo prazo. Há um padrão constante de luz proveniente desses pulsadores que deve ser alterado pela onda gravitacional. A ideia era observar e monitorar um conjunto de pulsares de milissegundos (MSP) ultraestáveis ​​para mudanças correlacionadas no tempo de chegada dos sinais à Terra, criando assim um “galáxiadetector de ondas gravitacionais de tamanho grande” dentro do nosso próprio galáxia. A equipe criou um conjunto de temporização de pulsares estudando 47 desses pulsares. O Observatório de Arecibo e o Telescópio Green Bank foram os rádio telescópios usados ​​para as medições.   

O conjunto de dados obtido até agora inclui 47 MSPs e mais de 12.5 anos de observações. Com base nisso, não é possível provar conclusivamente a detecção direta de GWB, embora os sinais de baixa frequência detectados indiquem isso. Talvez, o próximo passo seja incluir mais pulsares na matriz e estudá-los por um período mais longo de tempo para aumentar a sensibilidade.  

Para estudar o universo, os cientistas dependiam exclusivamente de radiações eletromagnéticas como luz, raios X, rádio onda etc. Sendo completamente alheia à radiação eletromagnética, a detecção de gravitacional em 2015 abriu uma nova janela de oportunidade para os cientistas estudarem corpos celestes e compreenderem o universo especialmente aqueles eventos celestes que são invisíveis para os astrônomos eletromagnéticos. Além disso, ao contrário da radiação eletromagnética, as ondas gravitacionais não interagem com a matéria, portanto, viajam praticamente desimpedidas, transportando informações sobre a sua origem e fonte, livres de qualquer distorção.⁽³⁾

A detecção de fundo de ondas gravitacionais (GWB) ampliaria ainda mais a oportunidade. Pode até ser possível detectar as ondas geradas pelo Big Bang, o que pode nos ajudar a compreender a origem do universo de uma maneira melhor.

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Referências:  

1. Castelvecchi D. e Witze A., 2016. Ondas gravitacionais de Einstein finalmente encontradas. Nature News 11 de fevereiro de 2016. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Castelvecchi D., 2020. O que 50 eventos de ondas gravitacionais revelam sobre o Universo. Nature News Publicado em 30 de outubro de 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. Fontes e tipos de ondas gravitacionais. Disponível online em https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Acessado em 12 de janeiro de 2021. 

4. Colaboração NANOGrav, 2021. NANOGrav Finds Possíveis 'Primeiras Sugestões' de Fundo de Ondas Gravitacionais de Baixa Freqüência. Disponível online em http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Acessado em 12 de janeiro de 2021 

5. Colaboração NANOGrav 2021. Briefing de imprensa - Pesquisando o Fundo de Ondas Gravitacionais em 12.5 anos de Dados NANOGrav. 11 de janeiro de 2021. Disponível online em http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Arzoumanian Z., et al 2020. The NANOGrav 12.5 yr Data Set: Search for an Isotropic Stochastic Gravitational-wave Background. The Astrophysical Journal Letters, Volume 905, Número 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401  

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