Ondas gravitacionais, ondulações no tecido do tempo-espaço previstas por Albert Einstein há mais de um século, estão permeando o universo em baixas frequências, de acordo com um projeto plurianual da National Science Foundation liderado por cientistas da Oregon State University.
Matriz de temporização pulsar, ondas gravitacionais. Imagem cortesia de NANOGrav
As descobertas aparecem em uma coleção de quatro artigos de autoria de pesquisadores do NANOGrav Physics Frontier Center co-dirigido por Xavier Siemens, professor de física na OSU College of Science.
Evidências das ondas gravitacionais, cujas oscilações são medidas em anos e décadas, foram publicadas esta semana no The Astrophysical Journal Letters.
“Na busca constante pelo avanço do conhecimento e compreensão humanos, este é um passo muito importante ao longo da jornada”, disse Siemens.
NANOGrav, que significa Observatório Nanohertz da América do Norte para Ondas Gravitacionais, é uma colaboração internacional de quase 200 pesquisadores de astrofísica cuja missão é usar o tempo de pulsar de rádio para procurar ondas gravitacionais de baixa frequência.
Xavier Siemens, à esquerda, e Jeffrey Hazboun, da OSU College of Science.
Detectar um “coro” de ondas gravitacionais de baixa frequência, como o NANOGrav fez, é a chave para desvendar os mistérios de como as estruturas são formadas no cosmos, disse o astrofísico da OSU Jeff Hazboun.
“Abrimos esta nova área de espectro para ondas gravitacionais”, disse Hazboun. “Vimos ondas de baixa frequência, de uma parte completamente diferente do espectro, o que nos diz que elas são um fenômeno físico onipresente e que podemos procurá-las em qualquer lugar.”
As ondas gravitacionais foram observadas pela primeira vez em 2015 pelo Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ou LIGO.
A descoberta dessas ondas, com frequências de cerca de 100 ciclos por segundo, foi um marco na física e na astronomia. Ele confirmou uma das principais previsões da teoria da relatividade de Einstein e rendeu um Prêmio Nobel de Física aos fundadores do LIGO.
Os pulsares são restos de estrelas massivas que giram rapidamente e explodiram como supernovas. Eles enviam pulsos de ondas de rádio com extrema regularidade, e um grupo deles é conhecido como matriz de tempo de pulsar, ou PTA.
A Siemens disse que sessenta e oito pulsares foram usados para reunir evidências de que a Via Láctea está inundada por um mar de ondas gravitacionais de baixa frequência.
A teoria da relatividade geral de Einstein, de 1915, previu como as ondas gravitacionais deveriam afetar os sinais do pulsar: ao esticar e espremer o tecido do espaço-tempo, as ondas gravitacionais deveriam alterar o tempo de cada pulso de maneira previsível, atrasando alguns pulsos e acelerando outros.
“O grande número de pulsares usados na análise NANOGrav nos permitiu ver o que pensamos serem os primeiros sinais do padrão de correlação previsto pela relatividade geral”, disse Siemens. “Podemos usar esses pulsares como relógios espalhados pelo céu e podemos ver como o tique-taque dos relógios muda a partir das ondas gravitacionais que passam pela nossa galáxia.”
O NANOGrav começou em 2007 e oito anos depois foi lançado como um Physics Frontier Center com uma doação de US$ 14.5 milhões da National Science Foundation quando a Siemens estava na Universidade de Wisconsin-Milwaukee.
A Siemens ingressou na OSU em 2019 e, dois anos depois, a NSF concedeu à NANOGrav US$ 17 milhões adicionais em cinco anos para procurar sinais de ondas gravitacionais com o Green Bank Telescope na Virgínia Ocidental, o Very Large Array no Novo México e o Observatório de Arecibo em Porto Rico.
A Siemens disse que a OSU recebe cerca de US$ 600,000 anualmente em financiamento do NANOGrav, sendo a análise de dados a principal função do estado de Oregon, além da liderança e administração do projeto.
Codirigido por Maura McLaughlin, astrônoma da West Virginia University, o NANOGrav combina os esforços de pesquisadores de 18 universidades, incluindo aproximadamente 20 alunos de graduação e pós-graduação no estado de Oregon.
“Procurar por ondas gravitacionais é como montar um quebra-cabeça: todo mundo tem sua própria peça, mas todas se encaixam”, disse Phia Morton, da Bend, graduada em física aplicada e engenharia nuclear. “É um equívoco comum pensar que as descobertas científicas vêm de um gênio solitário. Pelo contrário, projetos científicos de larga escala requerem muita colaboração e que todos os envolvidos acreditem nos objetivos do grupo.”
Morton e outros alunos de graduação da OSU contribuem procurando novos pulsares para adicionar à matriz do NANOGrav; quanto mais pulsares à sua disposição, mais sensível pode ser a detecção de ondas gravitacionais, explica ela.
“Os pulsares são, na verdade, fontes de rádio muito fracas, então precisamos de milhares de horas por ano nos maiores telescópios do mundo para realizar esse experimento”, disse McLaughlin. “Esses resultados são possíveis graças ao compromisso contínuo da National Science Foundation com esses observatórios de rádio excepcionalmente sensíveis.”
Pesquisadores do LIGO, também uma colaboração internacional financiada pela NSF, detectaram em 2015 ondas gravitacionais produzidas pela colisão de dois buracos negros usando os interferômetros gêmeos do LIGO em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington.
As ondas gravitacionais que podem ser observadas pelo LIGO, criadas por esses tipos de “binários de buracos negros”, têm frequências de cerca de 100 hertz, disse Hazboun.
“O NANOgrav procura ondas gravitacionais com frequências 11 ordens de magnitude abaixo daquelas que o LIGO está detectando”, disse ele.
A Siemens explica que usar um PTA para detectar um coro de sinais de ondas gravitacionais de múltiplas fusões de buracos negros supermassivos – descritos como um fundo estocástico de ondas gravitacionais – é mais promissor para a compreensão do universo do que detectar uma única onda de um único binário de buraco negro. colisão.
“Cada sinal é como uma nota, e não estamos apenas atrás de uma dessas notas - queremos ouvir o coro inteiro”, disse ele. “Queremos ouvir o coro coletivo de todos os binários supermassivos de buracos negros que estão se fundindo no universo.”
Os buracos negros supermassivos são o maior tipo de buraco negro, milhões a bilhões de vezes a massa do sol, e residem nos centros das galáxias.
Pesquisadores da NANOGrav dizem que estudos futuros dos sinais que os buracos negros supermassivos enviam permitirão aos cientistas ver o universo das ondas gravitacionais através de uma nova janela, oferecendo informações sobre buracos negros titânicos que se fundem nos centros de galáxias distantes e potencialmente em outras fontes exóticas de baixo - ondas gravitacionais de frequência.
“Este é apenas o começo do nosso trabalho”, disse a Siemens.
