O Observatório Nanohertz para Ondas Gravitacionais da Amanãrica do Norte (NANOGrav) éum detector de ondas gravitacionais que monitora áreas nas proximidades da Terra usando uma rede de pulsares (ou seja, estrelas semelhantes a rela³gios). No final de 2020, a colaboração NANOGrav reuniu evidaªncias de flutuações nos dados de tempo de 45 pulsares , que poderiam ser compata­veis com um sinal de fundo de onda gravitacional estoca¡stica (SGWB) em frequências de nanohertz.

Essas ondas gravitacionais podem estar potencialmente ligadas a  fusão de buracos negros extremamente massivos . Equipes de fa­sicos 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 ca³smicas, enquanto outros levantaram a hipa³tese de que poderiam ter sido gerados durante o nascimento de buracos negros primordiais.

John Ellis e Marek Lewicki, dois pesquisadores do King's College London e da Universidade de Varsãovia, recentemente ofereceram uma interpretação tea³rica das cordas ca³smicas 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 ca³smicas nascidas no ini­cio 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.

"Na³s mostramos que as cordas ca³smicas 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 hipa³tese serásimples de testar em futuros observata³rios de ondas gravitacionais, como o LISA."

"Nossa pesquisa ébaseada em anos de trabalho de muitos grupos que tornaram possa­veis ca¡lculos precisos do sinal da onda gravitacional produzida por cordas ca³smicas", Ellis e Lewicki disseram ao Phys.org. "Entramos em ação assim que soubemos dos novos dados promissores da colaboração NANOGrav, para verificar o quanto boa seria uma rede de cordas ca³smicas para explicar os dados."

O artigo de Ellis e Lewicki aponta que a história da expansão do universo também estãocodificada no sinal. Isso ocorre porque a rede de cordas ca³smicas 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 a  força do sinal necessa¡ria 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."

Paralelamente ao trabalho de Ellis e Lewicki, pesquisadores do Max-Planck-Institut fa¼r Kernphysik (MPIK) e do CERN também tentaram demonstrar teoricamente que as ondas gravitacionais de cordas ca³smicas são uma explicação bem motivada e perfeitamente via¡vel para o sinal de temporização do pulsar detectado por NANOGrav. Seu artigo, publicado na Physical Review Letters , baseia-se em uma sanãrie 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 . "Atéagora, todos os sinais observados foram causados ​​por eventos astrofisicos, como a fusão de buracos negros binários. Esses eventos são chamados de 'transita³rios' e são levam a sinais de curta duração em detectores de ondas gravitacionais. O pra³ximo grande passo na onda gravitacional a astronomia sera¡, portanto, a detecção de um 'fundo' estoca¡stico de ondas gravitacionais, um sinal que estãoconstantemente presente, chegando aténosde todas as direções no Espaço. "

A detecção de sinais gravitacionais de 'fundo' pode estar associada a uma ampla variedade de fena´menos astrofisicos e cosmola³gicos, desde fusaµes bina¡rias a eventos que ocorreram no ini­cio do universo. Notavelmente, tal sinal SGWB também poderia ser o equivalente de onda gravitacional do sinal ca³smico de fundo de microondas (CMB), que éessencialmente o pa³s-luminescaªncia do Big Bang em radiação eletromagnanãtica e em frequências de microondas.

"Como fa­sicos departículas, estamos particularmente interessados ​​nas contribuições primordiais para o SGWB, que prometem codificar uma riqueza de informações sobre a dina¢mica do universo inicial e, portanto, a física departículas nas energias mais altas", disse Schmitz. "Possa­veis fontes de ondas gravitacionais primordiais podem ser a inflação ca³smica, as transições de fase na estrutura do va¡cuo do universo primitivo e as cordas ca³smicas. Em nossos projetos anteriores, já hava­amos explorado todas as três possibilidades."

Em seu estudo recente, Schmitz e seus colegas do MPIK Simone Blasi e Vedran Brdar levantaram a hipa³tese de que os dados de tempo do pulsar coletados pelo NANOGrav podem ser a primeira evidência de cordas ca³smicas. Teoriza-se que as cordas ca³smicas 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 da¡ origem a s cordas ca³smicas éimprova¡vel que leve a um sinal observa¡vel nas ondas gravitacionais em si, seja porque simplesmente não produz nenhum sinal aprecia¡vel ou porque o sinal estãolocalizado em frequências altas e não observa¡veis", Schmitz disse. "Cordas ca³smicas, no entanto, os restos da transição de fase, tem 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 existaªncia."

No passado, os fa­sicos propuseram uma sanãrie de modelos teóricos que especulam sobre quais tipos de nova física podem dar origem a uma rede de cordas ca³smicas no universo primitivo. Em alguns de seus estudos anteriores, Schmitz, Blasi e Brdar focaram especificamente na ideia de que as cordas ca³smicas podem estar relacionadas a  origem das massas de neutrinos e a  assimetria ca³smica entre matéria e antimatéria.

"Esta conexão entre ondas gravitacionais, cordas ca³smicos e o chamado mecanismo de balana§o, a realização mais estudado de neutrino geração de massa, foi explorado em diversos estudos, tanto por nose outros times ", disse Schmitz. "Cordas ca³smicas deste tipo são chamadas de 'cordas ca³smicas BL", pois resultam de uma transição de fase cosmola³gica que leva a  violação da simetria BL (B menos L); onde BL representa a diferença do número do ba¡rion (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 fa­sico 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 ca³smicas 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 parametros que são relevantes da perspectiva do mecanismo de gangorra.

"Quando ouvimos falar pela primeira vez sobre o novo resultado do NANOGrav, esta¡vamos totalmente preparados para comparar nossas previsaµes para um sinal de onda gravitacional induzida por cordas ca³smicas com o sinal nos dados do NANOGrav", disse Schmitz. "Assim, comea§amos imediatamente a calcular o espectro de ondas gravitacionais de cordas ca³smicas na faixa de frequência de nanohertz. Ao contra¡rio de nossa análise em abril de 2020, não focamos mais nas cordas ca³smicas BL, mas consideramos as cordas ca³smicas 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 ca³smicas. Além disso, eles tentaram mapear toda a regia£o via¡vel no espaço de parametros das cordas ca³smicas que permitiria ajustar os dados.

"No momento, éimportante manter a cautela, pois ainda não estãoclaro se o NANOGrav realmente detectou um fundo de ondas gravitacionais", disse Schmitz. "Para isso, primeiro énecessa¡rio detectar um padrãode correlação especa­fico entre os resíduos de temporização de pulsares individuais. Esse padrãopode ser representado como um gra¡fico que mostra a correlação entre pares de pulsares em função do a¢ngulo que separa dois pulsares no canãu ; este gra¡fico éa famosa curva de Hellings-Downs. "

Para confirmar que o sinal detectado pelo NANOGrav deriva de ondas gravitacionais, os fa­sicos primeiro precisariam mostrar que ele estãoem conformidade com a curva de Hellings-Downs. Embora os dados parea§am estar bastante alinhados com esta interpretação, os pesquisadores ainda precisam reunir evidaªncias suficientes do padrãoHelling-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 possa­veis fontes.

"Tudo o que podemos dizer éque, no momento, as ondas gravitacionais de cordas ca³smicas são uma explicação perfeitamente via¡vel para o sinal", disse Schmitz. "As cadeias ca³smicas resultam na amplitude A correta do sinal; elas resultam em um a­ndice espectral gama que éperfeitamente consistente com os limites NANOGrav neste para¢metro; 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 ca³smicas podem ser uma explicação via¡vel para o sinal do NANOGrav. Além disso, os pesquisadores mostraram que a interpretação das cordas ca³smicas funciona para uma grande variedade de dois parametros das cordas ca³smicas que eles focaram em seu trabalho: a tensão das cordas ca³smicas Gmu e o tamanho do laa§o das cordas ca³smicas alfa.

"Isso torna a interpretação das cordas ca³smicas flexa­vel e abre muitas possibilidades em relação a  possí­vel origem das cordas ca³smicas", 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 ca³smicas, os pesquisadores mostraram que futuros experimentos de ondas gravitacionais em frequências mais altas sondara£o um grande espaço de parametros via¡vel. Esta descoberta sugere que as ondas gravitacionais de cordas ca³smicas podem ser uma referaªncia ideal para a astronomia de ondas gravitacionais multifrequenciais.

"Ao contra¡rio de muitas outras explicações do sinal do NANOGrav, prevemos que as cordas ca³smicas também levara£o a um sinal que seráobservado 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 permitira¡, especialmente, reconstruir a história de expansão do universo primitivo."

O para¢metro Gmu, que caracteriza a tensão das cordas ca³smicas, ou energia por unidade de comprimento, pode ser traduzido em uma estimativa da escala de energia em que as cordas ca³smicas 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 ta­picos 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 ca³smicas."

Embora as análises tea³ricas realizadas por esta equipe de pesquisadores sejam muito perspicazes, éimportante notar que os modelos do sinal da onda gravitacional que seria produzido a partir de cordas ca³smicas estãoassociados a algumas incertezas tea³ricas. Por exemplo, duas das abordagens mais amplamente utilizadas para estudar a dina¢mica das cordas ca³smicas 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 discrepa¢ncia entre estas duas abordagens, o que, no entanto, éuma tarefa muito desafiadora. Enquanto isso, pretendemos prosseguir em etapas menores e melhorar sucessivamente a descrição Nambu-Goto de cordas ca³smicas. "

Na aproximação Nambu-Goto, as cordas ca³smicas 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 ca³smicas em cenários reais.

"Cordas ca³smicas podem realmente carregar uma corrente elanãtrica, podem perder energia por meio da emissão departículas elementares, além da emissão de ondas gravitacionais, etc.", disse Schmitz. "Em nossos pra³ximos 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 ira£o derrubar nosso universo ca³smico. -string interpretação do sinal NANOGrav. "

Alguns pesquisadores também apresentaram explicações para os dados do NANOGrav que não visualizam o sinal no contexto de cordas ca³smicas. Por exemplo, uma equipe da Universitéde Gena¨ve 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 ini­cio do universo em conexão com o nascimento dos buracos negros primordiais, que são buracos negros formados em anãpocas 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 ta­pica dos astera³ides podem compreender a totalidade da matéria escura no universo e, seu processo de formação deixa para trás um fundo estoca¡stico 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 éfeita 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 constitua­ssem toda a matéria escura do universo, não seria necessa¡rio apresentar explicações especulativas para descrever ou explicar a existaªncia de matéria escura, visto que na verdade ela seria composta de matéria 'comum' , com o qual os fa­sicos já estãofamiliarizados.

"Na verdade, se a matéria escura éfeita de buracos negros primordiais, não seria necessa¡rio 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 econa´mica 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 interfera´metro 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 pra³ximos estudos, os pesquisadores planejam buscar evidaªncias da existaªncia de buracos negros primordiais gerados no ini­cio do universo, analisando novos dados de ondas gravitacionais em outras frequências.

"Em particular, queremos fazer previsaµes para a quantidade de ondas gravitacionais que sera£o detectadas em experimentos futuros, como LISA ou o Telescópio Einstein Europeu, um detector subterra¢neo, ira¡ detectar", disseram os pesquisadores.

Num futuro pra³ximo, a colaboração NANOGrav tentara¡ confirmar a validade do sinal detectado. Enquanto isso, fa­sicos teóricos em todo o mundo ainda estãotrabalhando em inaºmeras teorias interessantes que poderiam explicar a natureza desse sinal. Os artigos publicados por essas equipes no Max-Planck-Institut fa¼r Kernphysik, CERN, King's College London, na Universidade de Varsãovia e na Universitéde Gena¨ve oferecem interpretações particularmente nota¡veis ​​que podem ser confirmadas ou refutadas por estudos futuros.