Grupos relatam evidências de que o cosmos é preenchido com um fundo de ondas gravitacionais, provavelmente devido a fusões de binários de buracos negros supermassivos – Strong The One

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 co-liderou 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 comprimento de onda longo – com períodos de anos a décadas – também são produzidas por buracos negros?

Em um artigo do consórcio NANOGrav, publicado em 1º de agosto na As Cartas do Jornal Astrofísico (Cartas ApJ), Universidade da Califórnia, 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 chegaram perto 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 há 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 que sobraram desde o início do universo – os chamados buracos negros primordiais – e cordas cósmicas. Outro papel NANOGrav aparecendo em Cartas ApJ hoje 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.”

Fusões de galáxias levam a fusões de buracos negros

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 tipicamente bloqueado pelo 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 – mesmo que 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 ce