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Interpretações teóricas dos dados de tempo do pulsar divulgados recentemente pelo NANOGrav
Os pesquisadores teorizaram que essa rede iria evoluir conforme o universo se expande, produzindo loops fechados quando as cordas colidem. Esses loops então decairiam lentamente em ondas gravitacionais, resultando no sinal detectado pelo NANOGrav.
Por Ingrid Fadelli - 02/03/2021


Representação artística de um loop de cordas cósmicas emitindo ondas gravitacionais. Crédito: Daniel Dominguez do Departamento de Educação, Comunicações e Alcance (ECO) do CERN.

O Observatório Nanohertz para Ondas Gravitacionais da América do Norte (NANOGrav) é um detector de ondas gravitacionais que monitora áreas nas proximidades da Terra usando uma rede de pulsares (ou seja, estrelas semelhantes a relógios). No final de 2020, a colaboração NANOGrav reuniu evidências de flutuações nos dados de tempo de 45 pulsares , que poderiam ser compatíveis com um sinal de fundo de onda gravitacional estocástica (SGWB) em frequências de nanohertz.

Essas ondas gravitacionais podem estar potencialmente ligadas à fusão de buracos negros extremamente massivos . Equipes de físicos teóricos em todo o mundo, no entanto, forneceram explicações alternativas para as ondas gravitacionais observadas pelo NANOGrav. Alguns grupos sugeriram que poderiam ter sido produzidos por filamentos superdensos conhecidos como cordas cósmicas, enquanto outros levantaram a hipótese de que poderiam ter sido gerados durante o nascimento de buracos negros primordiais.

Uma interpretação de string cósmica dos dados do NANOGrav

John Ellis e Marek Lewicki, dois pesquisadores do King's College London e da Universidade de Varsóvia, recentemente ofereceram uma interpretação teórica das cordas cósmicas dos novos dados do NANOGrav. Eles mostraram que o sinal SGWB que o NANOGrav pode ter observado pode ser produzido por uma rede de cordas cósmicas nascidas no início do universo . Os pesquisadores teorizaram que essa rede iria evoluir conforme o universo se expande, produzindo loops fechados quando as cordas colidem. Esses loops então decairiam lentamente em ondas gravitacionais, resultando no sinal detectado pelo NANOGrav.

"Nós mostramos que as cordas cósmicas fornecem um ajuste muito bom para o sinal do NANOGrav, um pouco melhor do que a possível fonte alternativa de binários supermassivos de buracos negros", disseram Ellis e Lewicki. "Além disso, mostramos que nossa hipótese será simples de testar em futuros observatórios de ondas gravitacionais, como o LISA."

"Nossa pesquisa é baseada em anos de trabalho de muitos grupos que tornaram possíveis cálculos precisos do sinal da onda gravitacional produzida por cordas cósmicas", Ellis e Lewicki disseram ao Phys.org. "Entramos em ação assim que soubemos dos novos dados promissores da colaboração NANOGrav, para verificar o quão boa seria uma rede de cordas cósmicas para explicar os dados."

O artigo de Ellis e Lewicki aponta que a história da expansão do universo também está codificada no sinal. Isso ocorre porque a rede de cordas cósmicas que eles descrevem emitiria um sinal ao longo da história do universo e todos os recursos na expansão do universo deixariam uma impressão correspondente no espectro do sinal que poderia então ser sondado por detectores futuros.
 
"Graças à força do sinal necessária para explicar os dados do NANOGrav, isso permitiria que a história do universo fosse investigada em tempos muito mais antigos do que se pensava, garantindo um estudo mais aprofundado", disseram Ellis e Lewicki. "No momento, estamos trabalhando em AION e AEDGE, que são novos experimentos propostos que podem no futuro sondar uma parte diferente da história do universo além do NANOGrav ou LISA, e potencialmente testar nossa interpretação dos dados do NANOGrav."

O sinal NANOGrav como a primeira evidência de cordas cósmicas

Paralelamente ao trabalho de Ellis e Lewicki, pesquisadores do Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) e do CERN também tentaram demonstrar teoricamente que as ondas gravitacionais de cordas cósmicas são uma explicação bem motivada e perfeitamente viável para o sinal de temporização do pulsar detectado por NANOGrav. Seu artigo, publicado na Physical Review Letters , baseia-se em uma série de estudos anteriores no campo da astronomia de ondas gravitacionais.

"Desde a descoberta inovadora de ondas gravitacionais pelo LIGO em 2015 , o campo da astronomia de ondas gravitacionais continuou a progredir em um ritmo impressionante", disse Kai Schmitz do CERN, um dos autores do artigo, ao Phys.org . "Até agora, todos os sinais observados foram causados ​​por eventos astrofísicos, como a fusão de buracos negros binários. Esses eventos são chamados de 'transitórios' e só levam a sinais de curta duração em detectores de ondas gravitacionais. O próximo grande passo na onda gravitacional a astronomia será, portanto, a detecção de um 'fundo' estocástico de ondas gravitacionais, um sinal que está constantemente presente, chegando até nós de todas as direções no espaço. "

A detecção de sinais gravitacionais de 'fundo' pode estar associada a uma ampla variedade de fenômenos astrofísicos e cosmológicos, desde fusões binárias a eventos que ocorreram no início do universo. Notavelmente, tal sinal SGWB também poderia ser o equivalente de onda gravitacional do sinal cósmico de fundo de microondas (CMB), que é essencialmente o pós-luminescência do Big Bang em radiação eletromagnética e em frequências de microondas.

"Como físicos de partículas, estamos particularmente interessados ​​nas contribuições primordiais para o SGWB, que prometem codificar uma riqueza de informações sobre a dinâmica do universo inicial e, portanto, a física de partículas nas energias mais altas", disse Schmitz. "Possíveis fontes de ondas gravitacionais primordiais podem ser a inflação cósmica, as transições de fase na estrutura do vácuo do universo primitivo e as cordas cósmicas. Em nossos projetos anteriores, já havíamos explorado todas as três possibilidades."

Em seu estudo recente, Schmitz e seus colegas do MPIK Simone Blasi e Vedran Brdar levantaram a hipótese de que os dados de tempo do pulsar coletados pelo NANOGrav podem ser a primeira evidência de cordas cósmicas. Teoriza-se que as cordas cósmicas sejam os restos das transições de fase em energias extremamente altas, possivelmente perto da escala de energia da grande unificação (ou seja, as energias nas quais todas as forças subatômicas da natureza são previstas para se unificar em uma força comum).

"Neste caso, a transição de fase que dá origem às cordas cósmicas é improvável que leve a um sinal observável nas ondas gravitacionais em si, seja porque simplesmente não produz nenhum sinal apreciável ou porque o sinal está localizado em frequências altas e não observáveis", Schmitz disse. "Cordas cósmicas, no entanto, os restos da transição de fase, têm a chance de produzir um grande sinal em ondas gravitacionais que, se detectadas, podem nos dizer sobre as simetrias e forças que governaram o universo durante os primeiros momentos de sua existência."

No passado, os físicos propuseram uma série de modelos teóricos que especulam sobre quais tipos de nova física podem dar origem a uma rede de cordas cósmicas no universo primitivo. Em alguns de seus estudos anteriores, Schmitz, Blasi e Brdar focaram especificamente na ideia de que as cordas cósmicas podem estar relacionadas à origem das massas de neutrinos e à assimetria cósmica entre matéria e antimatéria.

"Esta conexão entre ondas gravitacionais, cordas cósmicos e o chamado mecanismo de balanço, a realização mais estudado de neutrino geração de massa, foi explorado em diversos estudos, tanto por nós e outros times ", disse Schmitz. "Cordas cósmicas deste tipo são chamadas de 'cordas cósmicas BL", pois resultam de uma transição de fase cosmológica que leva à violação da simetria BL (B menos L); onde BL representa a diferença do número do bárion (B) e do leptão (L). A simetria BL desempenha um papel importante no mecanismo de gangorra; apenas a "quebra" dessa simetria no universo primitivo abre caminho para um estado físico do universo no qual os neutrinos podem adquirir massa por meio do mecanismo de gangorra. "

Schmitz e seus colegas já teorizaram sobre ondas gravitacionais que poderiam surgir de cordas BL cósmicas em um artigo publicado em 2020 . Neste trabalho anterior, eles focaram especificamente no espectro de ondas gravitacionais em frequências mais altas, explorando a possibilidade de sondar cantos especiais do espaço de parâmetros que são relevantes da perspectiva do mecanismo de gangorra.

"Quando ouvimos falar pela primeira vez sobre o novo resultado do NANOGrav, estávamos totalmente preparados para comparar nossas previsões para um sinal de onda gravitacional induzida por cordas cósmicas com o sinal nos dados do NANOGrav", disse Schmitz. "Assim, começamos imediatamente a calcular o espectro de ondas gravitacionais de cordas cósmicas na faixa de frequência de nanohertz. Ao contrário de nossa análise em abril de 2020, não focamos mais nas cordas cósmicas BL, mas consideramos as cordas cósmicas em um sentido mais geral, permanecendo agnósticos sobre os detalhes de sua origem em energias muito altas. "

Em seu estudo recente, Schmitz, Blasi e Brdar queriam mostrar que o sinal observado pelo NANOGrav poderia refletir as ondas gravitacionais produzidas por cordas cósmicas. Além disso, eles tentaram mapear toda a região viável no espaço de parâmetros das cordas cósmicas que permitiria ajustar os dados.

"No momento, é importante manter a cautela, pois ainda não está claro se o NANOGrav realmente detectou um fundo de ondas gravitacionais", disse Schmitz. "Para isso, primeiro é necessário detectar um padrão de correlação específico entre os resíduos de temporização de pulsares individuais. Esse padrão pode ser representado como um gráfico que mostra a correlação entre pares de pulsares em função do ângulo que separa dois pulsares no céu ; este gráfico é a famosa curva de Hellings-Downs. "

O NANOGrav monitora uma série de pulsares em nossa vizinhança galáctica em busca
de ondas gravitacionais em frequências nanohertz. Crédito: NANOGrav.

Para confirmar que o sinal detectado pelo NANOGrav deriva de ondas gravitacionais, os físicos primeiro precisariam mostrar que ele está em conformidade com a curva de Hellings-Downs. Embora os dados pareçam estar bastante alinhados com esta interpretação, os pesquisadores ainda precisam reunir evidências suficientes do padrão Helling-Downs emergente nos dados. Estudos em andamento e futuros, no entanto, podem, em última análise, determinar a validade do sinal de temporização do pulsar do NANOGrav e medir algumas de suas propriedades com melhor precisão. Medir as propriedades do sinal NANOGrav (por exemplo, se ele sobe / desce em função da frequência e, em caso afirmativo, com que rapidez sobe / desce) pode ajudar a determinar suas possíveis fontes.

"Tudo o que podemos dizer é que, no momento, as ondas gravitacionais de cordas cósmicas são uma explicação perfeitamente viável para o sinal", disse Schmitz. "As cadeias cósmicas resultam na amplitude A correta do sinal; elas resultam em um índice espectral gama que é perfeitamente consistente com os limites NANOGrav neste parâmetro; e os valores gama previstos são ainda ligeiramente (mas apenas um pouco) melhores em acordo com os dados do que o valor gama = 13/3 previsto pelos binários supermassivos dos buracos negros. "

No geral, o estudo realizado por Schmitz, Blasi e Brdar demonstra teoricamente que as cordas cósmicas podem ser uma explicação viável para o sinal do NANOGrav. Além disso, os pesquisadores mostraram que a interpretação das cordas cósmicas funciona para uma grande variedade de dois parâmetros das cordas cósmicas que eles focaram em seu trabalho: a tensão das cordas cósmicas Gmu e o tamanho do laço das cordas cósmicas alfa.

"Isso torna a interpretação das cordas cósmicas flexível e abre muitas possibilidades em relação à possível origem das cordas cósmicas", explicou Schmitz. "Loops grandes com uma pequena tensão podem explicar o sinal, loops menores com uma tensão um pouco maior podem explicar o sinal, etc."

Além de demonstrar teoricamente que o sinal do NANOGrav poderia refletir cordas cósmicas, os pesquisadores mostraram que futuros experimentos de ondas gravitacionais em frequências mais altas sondarão um grande espaço de parâmetros viável. Esta descoberta sugere que as ondas gravitacionais de cordas cósmicas podem ser uma referência ideal para a astronomia de ondas gravitacionais multifrequenciais.

"Ao contrário de muitas outras explicações do sinal do NANOGrav, prevemos que as cordas cósmicas também levarão a um sinal que será observado em experimentos baseados no espaço e em experimentos terrestres de próxima geração", disse Schmitz. "Este aspecto de nossa interpretação destaca a complementaridade dessas medições em baixas e altas frequências. Uma detecção positiva em altas frequências permitirá, especialmente, reconstruir a história de expansão do universo primitivo."

O parâmetro Gmu, que caracteriza a tensão das cordas cósmicas, ou energia por unidade de comprimento, pode ser traduzido em uma estimativa da escala de energia em que as cordas cósmicas supostamente se formaram no universo primitivo. Os valores Gmu que Schmitz e seus colegas encontraram em sua análise apontam para uma escala de energia na faixa de 10 14 a 10 16 GeV.

"Esses são valores típicos que também encontramos nas grandes teorias unificadas (GUTs) que descrevem a unificação das forças subatômicas em energias muito altas", explicou Schmitz.

"Nossos resultados são, portanto, consistentes com a ideia de grande unificação e a quebra de certas simetrias no universo primordial que resultam na criação de uma rede de cordas cósmicas."

Embora as análises teóricas realizadas por esta equipe de pesquisadores sejam muito perspicazes, é importante notar que os modelos do sinal da onda gravitacional que seria produzido a partir de cordas cósmicas estão associados a algumas incertezas teóricas. Por exemplo, duas das abordagens mais amplamente utilizadas para estudar a dinâmica das cordas cósmicas em simulações de computador em grande escala, nomeadamente as abordagens "cordas Nambu-Goto" e "cordas Abelian Higgs", nem sempre conduzem aos mesmos resultados.

“No nosso trabalho, fazemos uso de simulações de cordas Nambu-Goto”, acrescentou Schmitz. “A longo prazo, seria interessante resolver a discrepância entre estas duas abordagens, o que, no entanto, é uma tarefa muito desafiadora. Enquanto isso, pretendemos prosseguir em etapas menores e melhorar sucessivamente a descrição Nambu-Goto de cordas cósmicas. "

Na aproximação Nambu-Goto, as cordas cósmicas são mais ou menos sem características, pois são descritas como objetos unidimensionais que carregam uma certa quantidade de energia por unidade de comprimento.

Esta representação pode não refletir realmente as propriedades das cordas cósmicas em cenários reais.

"Cordas cósmicas podem realmente carregar uma corrente elétrica, podem perder energia por meio da emissão de partículas elementares, além da emissão de ondas gravitacionais, etc.", disse Schmitz. "Em nossos próximos estudos, planejamos, portanto, levar em conta esses refinamentos passo a passo e investigar como esses aspectos mais sofisticados podem se manifestar no espectro das ondas gravitacionais. Ao mesmo tempo, não acreditamos que esses refinamentos irão derrubar nosso universo cósmico. -string interpretação do sinal NANOGrav. "

Os dados NANOGrav como uma indicação de buracos negros primordiais

Alguns pesquisadores também apresentaram explicações para os dados do NANOGrav que não visualizam o sinal no contexto de cordas cósmicas. Por exemplo, uma equipe da Université de Genève sugeriu que tal sinal SGWB também poderia ser gerado pela formação de buracos negros primordiais das perturbações geradas conforme o universo se expandia.

"Fornecemos uma possível interpretação do sinal de espectro comum, como induzido por ondas gravitacionais geradas no início do universo em conexão com o nascimento dos buracos negros primordiais, que são buracos negros formados em épocas iniciais durante a evolução do universo", Antonio Antonio Riotto, Valerio De Luca e Gabriele Franciolini, os três pesquisadores que realizaram o estudo, disseram ao Phys.org por e-mail. "Buracos negros primordiais com massas não muito distantes da massa típica dos asteróides podem compreender a totalidade da matéria escura no universo e, seu processo de formação deixa para trás um fundo estocástico de ondas gravitacionais que explicam os dados do NanoGrav."

De acordo com Riotto, De Luca e Franciolini, a ideia de que toda a matéria escura do universo é feita de buracos negros primordiais e o fato de que sua formação deveria deixar para trás um sinal SGWB semelhante ao detectado pelo NANOGrav pode parecer não relacionado, mas poderia estar conectado de maneiras interessantes. Por exemplo, se os buracos negros primordiais constituíssem toda a matéria escura do universo, não seria necessário apresentar explicações especulativas para descrever ou explicar a existência de matéria escura, visto que na verdade ela seria composta de matéria 'comum' , com o qual os físicos já estão familiarizados.

"Na verdade, se a matéria escura é feita de buracos negros primordiais, não seria necessário invocar algumas explicações especulativas para explicar a matéria escura: os buracos negros primordiais são, na verdade, feitos da mesma matéria comum que conhecemos", explicaram os pesquisadores . "Nosso estudo fornece uma explicação econômica do sinal detectado pela colaboração do NANOGrav com uma conexão elegante com a busca da matéria escura, que pode ser investigada com a ajuda de futuros experimentos de ondas gravitacionais como o LISA, um interferômetro espacial."

O sinal de fundo da onda gravitacional que De Luca, Franciolini e Riotto previram que seria produzido por buracos negros primordiais poderia em breve ser sondado em outras faixas de frequência (por exemplo, em torno de frequências de miliHertz). Em seus próximos estudos, os pesquisadores planejam buscar evidências da existência de buracos negros primordiais gerados no início do universo, analisando novos dados de ondas gravitacionais em outras frequências.

"Em particular, queremos fazer previsões para a quantidade de ondas gravitacionais que serão detectadas em experimentos futuros, como LISA ou o Telescópio Einstein Europeu, um detector subterrâneo, irá detectar", disseram os pesquisadores.

Num futuro próximo, a colaboração NANOGrav tentará confirmar a validade do sinal detectado. Enquanto isso, físicos teóricos em todo o mundo ainda estão trabalhando em inúmeras teorias interessantes que poderiam explicar a natureza desse sinal. Os artigos publicados por essas equipes no Max-Planck-Institut für Kernphysik, CERN, King's College London, na Universidade de Varsóvia e na Université de Genève oferecem interpretações particularmente notáveis ​​que podem ser confirmadas ou refutadas por estudos futuros.

 

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