O universo está se expandindo; temos evidências disso há cerca de um século. Mas a rapidez com que os objetos celestes estão se afastando uns dos outros ainda está em debate.

Não é pouca coisa medir a taxa na qual os objetos se afastam uns dos outros em grandes distâncias. Desde a descoberta da expansão cósmica, sua taxa foi medida e remedida com precisão crescente, com alguns dos valores mais recentes variando de 67,4 a 76,5 quilômetros por segundo por megaparsec, que relaciona a velocidade de recessão (em quilômetros por segundo) a a distância (em megaparsecs).

A discrepância entre as diferentes medições da expansão cósmica é chamada de "tensão de Hubble". Alguns chamaram isso de crise na cosmologia. Mas para o astrofísico teórico da UC Santa Barbara, Tejaswi Venumadhav Nerella, e seus colegas do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental em Bangalore, Índia, e do Centro Interuniversitário de Astronomia e Astrofísica em Pune, Índia, é um momento emocionante.

Desde a primeira detecção de ondas gravitacionais em 2015, os detectores foram significativamente melhorados e estão preparados para produzir uma rica coleção de sinais nos próximos anos. Nerella e seus colegas criaram um método para usar esses sinais para medir a expansão do universo e talvez ajudar a resolver o debate de uma vez por todas. “Um dos principais objetivos científicos dos detectores futuros é fornecer um catálogo abrangente de eventos de ondas gravitacionais, e este será um uso completamente novo do notável conjunto de dados”, disse Nerella, coautor de um artigo publicado na Physical Review Letters .

As medições da taxa de expansão cósmica se resumem a velocidade e distância. Os astrônomos usam dois tipos de métodos para medir distâncias: o primeiro começa com objetos com um comprimento conhecido ("réguas padrão") e observa o quão grandes eles aparecem no céu. Esses "objetos" são características da radiação cósmica de fundo ou da distribuição das galáxias no universo.

Uma segunda classe de métodos começa com objetos de luminosidade conhecida ("velas padrão") e mede suas distâncias da Terra usando seu brilho aparente. Essas distâncias estão conectadas àquelas de objetos brilhantes mais distantes e assim por diante, o que cria uma cadeia de esquemas de medição que costuma ser chamada de "escada de distância cósmica". Aliás, as próprias ondas gravitacionais também podem ajudar a medir a expansão cósmica, já que a energia liberada pela colisão de estrelas de nêutrons ou buracos negros pode ser usada para estimar a distância a esses objetos.

O método que Nerella e seus coautores propõem pertence à segunda classe, mas usa lentes gravitacionais . Este é um fenômeno que ocorre quando objetos massivos distorcem o espaço-tempo e dobram ondas de todos os tipos que viajam perto dos objetos. Em casos raros, as lentes podem produzir várias cópias do mesmo sinal de onda gravitacional que atingem a Terra em momentos diferentes – os atrasos entre os sinais para uma população de vários eventos fotografados podem ser usados ??para calcular a taxa de expansão do universo, de acordo com os pesquisadores.

“Entendemos muito bem o quão sensíveis são os detectores de ondas gravitacionais, e não há fontes astrofísicas de confusão, então podemos explicar adequadamente o que entra em nosso catálogo de eventos”, disse Nerella. "O novo método tem fontes de erro complementares aos métodos existentes, o que o torna um bom discriminador."

As fontes desses sinais seriam buracos negros binários : sistemas de dois buracos negros que orbitam um ao outro e finalmente se fundem, liberando grandes quantidades de energia na forma de ondas gravitacionais. Ainda não detectamos exemplos de lentes fortes desses sinais, mas espera-se que a próxima geração de detectores terrestres tenha o nível necessário de sensibilidade.

"Esperamos a primeira observação de ondas gravitacionais com lentes nos próximos anos", disse o coautor do estudo, Parameswaran Ajith. Além disso, esses futuros detectores devem ser capazes de enxergar mais longe no espaço e detectar sinais mais fracos.

Os autores esperam que esses detectores avançados comecem sua busca por fusão de buracos negros na próxima década. Eles antecipam a gravação de sinais de alguns milhões de pares de buracos negros, uma pequena fração (cerca de 10.000) dos quais aparecerão várias vezes no mesmo detector devido às lentes gravitacionais. A distribuição dos atrasos entre essas aparições repetidas codifica a taxa de expansão do Hubble.

De acordo com o principal autor Souvik Jana, ao contrário de outros métodos de medição, este método não depende do conhecimento da localização exata ou das distâncias desses buracos negros binários . O único requisito é identificar com precisão um número suficientemente grande desses sinais com lentes. Os pesquisadores acrescentam que as observações de ondas gravitacionais com lentes podem até fornecer pistas sobre outras questões cosmológicas, como a natureza da matéria escura invisível que compõe grande parte do conteúdo energético do universo.