Após 15 anos de coleta de dados em um experimento do tamanho de uma galáxia, os cientistas “ouviram” o coro perpétuo de ondas gravitacionais ondulando em nosso universo pela primeira vez – e é mais alto do que o esperado.

A descoberta inovadora foi feita por cientistas do North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), que observaram de perto estrelas chamadas pulsares que atuam como metrônomos celestes. As ondas gravitacionais recém-detectadas - ondulações no tecido do espaço-tempo - são de longe as mais poderosas já medidas: elas carregam cerca de um milhão de vezes mais energia do que as explosões pontuais de ondas gravitacionais de buracos negros e fusões de estrelas de nêutrons detectadas. por experimentos como LIGO e Virgo.

A maioria das ondas gravitacionais gigantes provavelmente são produzidas por pares de buracos negros supermassivos em espiral em direção a colisões cataclísmicas em todo o cosmos, relatam os cientistas do NANOGrav em uma série de novos artigos que aparecem hoje no The Astrophysical Journal Letters .

"É como um coro, com todos esses pares de buracos negros supermassivos tocando em diferentes frequências", diz a cientista do NANOGrav Chiara Mingarelli, que trabalhou nas novas descobertas enquanto era pesquisadora associada do Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics (CCA) em Nova Cidade de York. "Esta é a primeira evidência do fundo da onda gravitacional. Abrimos uma nova janela de observação do universo."

A existência e a composição da onda gravitacional de fundo – há muito teorizada, mas nunca antes ouvida – apresenta um tesouro de novos insights sobre questões de longa data, desde o destino de pares de buracos negros supermassivos até a frequência de fusões de galáxias.

Por enquanto, o NANOGrav só pode medir o fundo geral da onda gravitacional, em vez da radiação dos "cantores" individuais. Mas até isso trouxe surpresas.

"O fundo da onda gravitacional é cerca de duas vezes mais alto do que eu esperava", diz Mingarelli, agora professor assistente na Universidade de Yale. “É realmente o limite superior do que nossos modelos podem criar apenas a partir de buracos negros supermassivos”.

O volume ensurdecedor pode resultar de limitações experimentais ou de buracos negros supermassivos mais pesados ??e abundantes. Mas também existe a possibilidade de que algo mais esteja gerando ondas gravitacionais poderosas, diz Mingarelli, como mecanismos previstos pela teoria das cordas ou explicações alternativas para o nascimento do universo. "O que vem a seguir é tudo", diz ela. "Isto é apenas o começo."

Chegar a esse ponto foi um desafio de anos para a equipe NANOGrav. As ondas gravitacionais que eles caçaram são diferentes de qualquer coisa medida anteriormente. Ao contrário das ondas de alta frequência detectadas por instrumentos terrestres como o LIGO e o Virgo, o fundo das ondas gravitacionais é composto por ondas de frequência ultrabaixa. Uma única subida e descida de uma das ondas pode levar anos ou até décadas para passar. Como as ondas gravitacionais viajam na velocidade da luz, um único comprimento de onda pode ter dezenas de anos-luz de comprimento.

Nenhum experimento na Terra poderia detectar ondas tão colossais, então a equipe do NANOGrav olhou para as estrelas. Eles observaram de perto os pulsares, os remanescentes ultradensos de estrelas massivas que se transformaram em supernovas. Os pulsares agem como faróis estelares, disparando feixes de ondas de rádio de seus pólos magnéticos. À medida que os pulsares giram rapidamente (às vezes centenas de vezes por segundo), esses feixes varrem o céu, aparecendo de nosso ponto de vista na Terra como pulsos rítmicos de ondas de rádio.

Os pulsos chegam à Terra como um metrônomo perfeitamente cronometrado. O tempo é tão preciso que, quando Jocelyn Bell mediu as primeiras ondas de rádio do pulsar em 1967, os astrônomos pensaram que poderiam ser sinais de uma civilização alienígena.

Quando uma onda gravitacional passa entre nós e um pulsar, ela altera o tempo da onda de rádio. Isso porque, como previu Albert Einstein, as ondas gravitacionais se estendem e comprimem o espaço à medida que ondulam pelo cosmos, alterando a distância que as ondas de rádio precisam percorrer.

Por 15 anos, cientistas NANOGrav dos Estados Unidos e Canadá cronometraram de perto os pulsos de ondas de rádio de dezenas de pulsares de milissegundos em nossa galáxia usando o Observatório de Arecibo em Porto Rico, o Green Bank Telescope em West Virginia e o Very Large Array no Novo México. As novas descobertas são o resultado de uma análise detalhada de um conjunto de 67 pulsares.

“Os pulsares são na verdade fontes de rádio muito fracas, por isso precisamos de milhares de horas por ano nos maiores telescópios do mundo para realizar esse experimento”, diz Maura McLaughlin, da West Virginia University, codiretora do NANOGrav Physics Frontiers Center. “Esses resultados são possíveis graças ao compromisso contínuo da National Science Foundation (NSF) com esses observatórios de rádio excepcionalmente sensíveis”.

Em 2020, com pouco mais de 12 anos de dados, os cientistas do NANOGrav começaram a ver indícios de um sinal, um “zumbido” extra comum ao comportamento de temporização de todos os pulsares da matriz. Agora, três anos de observações adicionais depois, eles acumularam evidências concretas da existência da onda gravitacional de fundo.

“Agora que temos evidências de ondas gravitacionais, o próximo passo é usar nossas observações para estudar as fontes que produzem esse zumbido”, diz Sarah Vigeland, da Universidade de Wisconsin-Milwaukee, presidente do grupo de trabalho de detecção NANOGrav.

As fontes mais prováveis ??do fundo da onda gravitacional são pares de buracos negros supermassivos capturados em uma espiral da morte. Esses buracos negros são realmente colossais, contendo bilhões de sóis em massa. Quase todas as galáxias, incluindo a nossa própria Via Láctea, têm pelo menos um dos gigantes em seu núcleo. Quando duas galáxias se fundem, seus buracos negros supermassivos podem se encontrar e começar a orbitar um ao outro. Com o tempo, suas órbitas se estreitam à medida que o gás e as estrelas passam entre os buracos negros e roubam energia.

Eventualmente, os buracos negros supermassivos chegam tão perto que o roubo de energia para. Alguns estudos teóricos argumentam há décadas que os buracos negros param indefinidamente quando estão separados por cerca de 1 parsec (aproximadamente três anos-luz). Essa teoria do close-but-no-charuto ficou conhecida como o problema do parsec final. Nesse cenário, apenas grupos raros de três ou mais buracos negros supermassivos resultam em fusões.

No entanto, pares de buracos negros supermassivos podem ter um truque na manga. Eles podem emitir energia como ondas gravitacionais poderosas enquanto orbitam um ao outro até que eventualmente colidam em um final cataclísmico. “Uma vez que os dois buracos negros se aproximam o suficiente para serem vistos por matrizes de tempo de pulsar, nada pode impedi-los de se fundir em apenas alguns milhões de anos”, diz Luke Kelley, da Universidade da Califórnia, Berkeley, presidente do grupo de astrofísica do NANOGrav.

A existência da onda gravitacional de fundo encontrada pelo NANOGrav parece apoiar essa previsão, potencialmente pondo fim ao problema final do parsec.

Como pares de buracos negros supermassivos se formam devido a fusões de galáxias, a abundância de suas ondas gravitacionais ajudará os cosmólogos a estimar com que frequência as galáxias colidiram ao longo da história do universo. Mingarelli, a pesquisadora de pós-doutorado Deborah C. Good do CCA e da Universidade de Connecticut, e seus colegas estudaram a intensidade da onda gravitacional de fundo. Eles estimam que centenas de milhares ou talvez até um milhão ou mais binários de buracos negros supermassivos habitam o universo.

Nem todas as ondas gravitacionais detectadas pelo NANOGrav são necessariamente de pares de buracos negros supermassivos. Outras propostas teóricas também preveem ondas na faixa de frequência ultrabaixa. A teoria das cordas, por exemplo, prevê que defeitos unidimensionais chamados de cordas cósmicas podem ter se formado no início do universo. Essas cordas poderiam dissipar energia emitindo ondas gravitacionais. Outra proposta sugere que o universo não começou com o Big Bang, mas com um Big Bounce, pois um universo precursor entrou em colapso sobre si mesmo antes de se expandir de volta para fora. Em tal história de origem, as ondas gravitacionais do incidente ainda estariam se propagando pelo espaço-tempo.

Há também uma chance de que os pulsares não sejam os detectores de ondas gravitacionais perfeitos que os cientistas pensam que são e que, em vez disso, possam ter alguma variabilidade desconhecida que está distorcendo os resultados do NANOGrav. “Não podemos ir até os pulsares e ligá-los e desligá-los novamente para ver se há algum bug”, diz Mingarelli.

A equipe do NANOGrav espera explorar todos os contribuintes potenciais para o recém-descoberto fundo de ondas gravitacionais enquanto continuam monitorando os pulsares. O grupo planeja quebrar o fundo com base na frequência e origem das ondas no céu.

Felizmente, a equipe NANOGrav não está sozinha em sua busca. Vários artigos divulgados hoje por colaborações usando telescópios na Europa, Índia, China e Austrália relatam indícios do mesmo sinal de fundo de onda gravitacional em seus dados. Por meio do consórcio International Pulsar Timing Array, os grupos individuais estão reunindo seus dados para melhor caracterizar o sinal e identificar suas fontes.

“Nossos dados combinados serão muito mais poderosos”, diz Stephen Taylor, da Vanderbilt University, que co-liderou a nova pesquisa e atualmente preside a colaboração NANOGrav. "Estamos ansiosos para descobrir quais segredos eles revelarão sobre nosso universo."