O universo está cheio de radiação gravitacional – um estrondo de frequência muito baixa que se estende e comprime ritmicamente o espaço-tempo e a matéria embutida nele.

Essa é a conclusão de vários grupos de pesquisadores de todo o mundo que publicaram simultaneamente uma série de artigos em jornais em junho, descrevendo mais de 15 anos de observações de pulsares de milissegundos em nosso canto da Via Láctea. Pelo menos um grupo – a colaboração do North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves ( NANOGrav ) – encontrou evidências convincentes de que os ritmos precisos desses pulsares são afetados pelo alongamento e compressão do espaço-tempo por essas ondas gravitacionais de longo comprimento de onda .

“Esta é a principal evidência de ondas gravitacionais em frequências muito baixas”, diz Stephen Taylor, da Vanderbilt University, que coliderou a pesquisa e é o atual presidente da colaboração. "Depois de anos de trabalho, o NANOGrav está abrindo uma janela totalmente nova no universo das ondas gravitacionais."

As ondas gravitacionais foram detectadas pela primeira vez pelo Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) em 2015. As flutuações de comprimento de onda curto no espaço-tempo foram causadas pela fusão de buracos negros menores, ou ocasionalmente estrelas de nêutrons, todos pesando menos de um algumas centenas de massas solares.

A questão agora é: as ondas gravitacionais de longo comprimento de onda – com períodos de anos a décadas – também são produzidas por buracos negros?

Em um artigo do consórcio NANOGrav, publicado no The Astrophysical Journal Letters , University of California, Berkeley, o físico Luke Zoltan Kelley e a equipe NANOGrav argumentaram que o zumbido é provavelmente produzido por centenas de milhares de pares de buracos negros supermassivos – cada um pesando bilhões de vezes a massa do nosso sol - que ao longo da história do universo se aproximaram o suficiente um do outro para se fundir.

A equipe produziu simulações de populações binárias de buracos negros supermassivos contendo bilhões de fontes e comparou as assinaturas de ondas gravitacionais previstas com as observações mais recentes do NANOGrav.

A dança orbital dos buracos negros antes da fusão vibra o espaço-tempo de forma análoga à maneira como os dançarinos de valsa vibram ritmicamente em uma pista de dança. Essas fusões ao longo dos 13,8 bilhões de anos do universo produziram ondas gravitacionais que hoje se sobrepõem, como as ondulações de um punhado de pedras jogadas em um lago, para produzir o zumbido de fundo. Como os comprimentos de onda dessas ondas gravitacionais são medidos em anos-luz, detectá-los exigiu um conjunto de antenas do tamanho de uma galáxia – uma coleção de pulsares de milissegundos.

"Acho que o elefante na sala é que ainda não temos 100% de certeza de que é produzido por binários de buracos negros supermassivos. Esse é definitivamente o nosso melhor palpite e é totalmente consistente com os dados, mas não temos certeza", disse Kelley, professor adjunto assistente de astronomia da UC Berkeley. “Se são binários, então é a primeira vez que realmente confirmamos a existência de binários supermassivos de buracos negros, o que tem sido um grande quebra-cabeça por mais de 50 anos.”

"O sinal que estamos vendo é de uma população cosmológica ao longo do espaço e ao longo do tempo, em 3D. Uma coleção de muitos desses binários coletivamente nos dá esse pano de fundo", disse o astrofísico Chung-Pei Ma, professor de Judy Chandler Webb em as Ciências Físicas nos departamentos de astronomia e física na UC Berkeley e um membro da colaboração NANOGrav.

Ma observou que, embora os astrônomos tenham identificado uma série de possíveis binários de buracos negros supermassivos usando observações de rádio, ópticas e de raios-X, eles podem usar ondas gravitacionais como uma nova sirene para guiá-los onde no céu procurar ondas eletromagnéticas e conduzir estudos detalhados. de binários de buracos negros.

Ma dirige um projeto para estudar 100 dos buracos negros supermassivos mais próximos da Terra e está ansioso para encontrar evidências de atividade em torno de um deles que sugira um par binário para que o NANOGrav possa ajustar a matriz de temporização do pulsar para sondar esse pedaço do céu para a gravidade. ondas. Binários de buracos negros supermassivos provavelmente emitem ondas gravitacionais por alguns milhões de anos antes de se fundirem.

Outras possíveis causas das ondas gravitacionais de fundo incluem axions de matéria escura, buracos negros deixados desde o início do universo – os chamados buracos negros primordiais – e cordas cósmicas. Outro artigo do NANOGrav que aparece na ApJ Letters estabelece restrições a essas teorias.

"Outros grupos sugeriram que isso vem da inflação cósmica ou cordas cósmicas ou outros tipos de novos processos físicos que são muito empolgantes, mas achamos que os binários são muito mais prováveis. Para realmente poder dizer definitivamente que isso vem dos binários, no entanto, o que temos a fazer é medir o quanto o sinal da onda gravitacional varia no céu. Os binários devem produzir variações muito maiores do que as fontes alternativas", disse Kelley.

"Agora é realmente quando o trabalho sério e a empolgação começam, à medida que continuamos a aumentar a sensibilidade. À medida que continuamos a fazer medições melhores, nossas restrições nas populações binárias de buracos negros supermassivos vão ficar cada vez melhores."

Acredita-se que a maioria das grandes galáxias tenha buracos negros maciços em seus centros, embora sejam difíceis de detectar porque a luz que emitem - variando de raios-X a ondas de rádio produzidas quando estrelas e gás caem no buraco negro - é normalmente bloqueada por gás e poeira ao redor. Ma analisou recentemente o movimento das estrelas em torno do centro de uma grande galáxia, M87, e refinou as estimativas de sua massa – 5,37 bilhões de vezes a massa do Sol – embora o próprio buraco negro esteja totalmente obscurecido.

Curiosamente, o buraco negro supermassivo no centro de M87 pode ser um buraco negro binário. Mas ninguém sabe ao certo.

"Minha pergunta para M87, ou mesmo para nosso centro galáctico, Sagitário A*, é: você pode esconder um segundo buraco negro perto do buraco negro principal que estamos estudando? E acho que atualmente ninguém pode descartar isso", disse Ma. . "A prova cabal para esta detecção de ondas gravitacionais provenientes de buracos negros supermassivos binários teria que vir de estudos futuros, onde esperamos poder ver detecções de ondas contínuas de fontes binárias únicas."

Simulações de fusões de galáxias sugerem que os buracos negros supermassivos binários são comuns, uma vez que os buracos negros centrais de duas galáxias em fusão devem afundar juntos em direção ao centro da galáxia fundida maior. Esses buracos negros começariam a orbitar um ao outro, embora as ondas que o NANOGrav pode detectar sejam emitidas apenas quando chegarem muito perto, disse Kelley – algo como 10 a 100 vezes o diâmetro do nosso sistema solar, ou 1.000 a 10.000 vezes o diâmetro da Terra. distância do sol, que é de 93 milhões de milhas.

Mas as interações com gás e poeira na galáxia fundida podem fazer os buracos negros espiralarem para dentro para chegar tão perto, tornando uma fusão inevitável?

“Essa tem sido a maior incerteza nos binários de buracos negros supermassivos: como você os leva logo após a fusão da galáxia até onde eles estão realmente se aglutinando”, disse Kelley. "As fusões de galáxias unem os dois buracos negros supermassivos a cerca de um kiloparsec ou mais - uma distância de 3.200 anos-luz , aproximadamente o tamanho do núcleo de uma galáxia. Mas eles precisam chegar a cinco ou seis ordens de magnitude menores separações antes eles podem realmente produzir ondas gravitacionais."

"Pode ser que os dois possam estar parados", observou Ma. "Chamamos isso de último problema do parsec. Se você não tivesse outro canal para encolhê-los, não esperaríamos ver ondas gravitacionais."

Mas os dados do NANOGrav sugerem que a maioria dos binários de buracos negros supermassivos não param.

"A amplitude das ondas gravitacionais que estamos vendo sugere que as fusões são bastante eficazes, o que significa que uma grande fração dos binários de buracos negros supermassivos é capaz de ir dessas grandes escalas de fusão de galáxias até escalas subparsec muito, muito pequenas, " Kelley disse.

O NANOGrav foi capaz de medir as ondas gravitacionais de fundo, graças à presença de pulsares de milissegundos – estrelas de nêutrons em rotação rápida que varrem um feixe brilhante de ondas de rádio pela Terra várias centenas de vezes por segundo. Por razões desconhecidas, sua taxa de pulsação é precisa em décimos de milissegundos.

Quando o primeiro pulsar de milissegundos foi encontrado em 1982 pelo falecido astrônomo da UC Berkeley, Donald Backer, ele rapidamente percebeu que esses sinalizadores de precisão poderiam ser usados ??para detectar as flutuações do espaço-tempo produzidas por ondas gravitacionais. Ele cunhou o termo "matriz de temporização do pulsar" para descrever um conjunto de pulsares espalhados ao nosso redor na galáxia que poderia ser usado como um detector.

Em 2007, Backer foi um dos fundadores do NANOGrav, uma colaboração que agora envolve mais de 190 cientistas dos Estados Unidos e Canadá. O plano era monitorar pelo menos uma vez por mês um grupo de pulsares de milissegundos em nossa porção da Via Láctea e, depois de contabilizar os efeitos do movimento, procurar mudanças correlatas nas taxas de pulso que poderiam ser atribuídas a ondas gravitacionais de longo comprimento. ondas que viajam pela galáxia. A mudança no tempo de chegada de um determinado sinal de pulsar seria da ordem de um milionésimo de segundo, disse Kelley.

"São apenas as variações estatisticamente coerentes que realmente são a marca registrada das ondas gravitacionais", disse ele. “Você vê variações em escalas de milissegundos, dezenas de milissegundos o tempo todo. "

A colaboração NANOGrav monitorou 68 pulsares ao todo, alguns por 15 anos, e empregou 67 na análise atual. O grupo divulgou publicamente seus programas de análise, que estão sendo usados ??por grupos na Europa (European Pulsar Timing Array), Austrália (Parkes Pulsar Timing Array) e China (Chinese Pulsar Timing Array) para correlacionar sinais de diferentes, embora às vezes sobrepostos, conjuntos de pulsares do que o usado pelo NANOGrav.

Os dados do NANOGrav permitem várias outras inferências sobre a população de fusões binárias de buracos negros supermassivos ao longo da história do universo, disse Kelley. Por um lado, a amplitude do sinal implica que a população se inclina para massas mais altas. Embora os buracos negros supermassivos conhecidos tenham no máximo cerca de 20 bilhões de massas solares, muitos daqueles que criaram o fundo podem ter sido maiores, talvez até 40 ou 60 bilhões de massas solares . Alternativamente, pode haver muito mais binários de buracos negros supermassivos do que pensamos.

“Embora a amplitude observada do sinal da onda gravitacional seja amplamente consistente com nossas expectativas, é definitivamente um pouco alta”, disse ele. "Portanto, precisamos ter alguma combinação de buracos negros supermassivos relativamente massivos, uma taxa de ocorrência muito alta desses buracos negros , e eles provavelmente precisam ser capazes de coalescer de maneira bastante eficaz para produzir essas amplitudes que vemos. Ou talvez seja mais como as massas são 20% maiores do que pensávamos, mas também se fundem duas vezes mais efetivamente, ou alguma combinação de parâmetros."

À medida que mais dados chegam de mais anos de observações, a equipe do NANOGrav espera obter evidências mais convincentes de uma onda gravitacional cósmica de fundo e o que a está produzindo, que pode ser uma combinação de fontes. Por enquanto, os astrônomos estão entusiasmados com as perspectivas da astronomia de ondas gravitacionais.

"Isso é muito empolgante como uma nova ferramenta", disse Ma. “Isso abre uma janela completamente nova para estudos de buracos negros supermassivos ”.

Os dados do NANOGrav vieram de 15 anos de observações do Observatório de Arecibo em Porto Rico, uma instalação que desabou e ficou inutilizável em 2020; o Green Bank Telescope em West Virginia; e o Very Large Array no Novo México. Os resultados futuros do NANOGrav incorporarão dados do radiotelescópio Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME), que foi adicionado ao projeto em 2019.