Um grande anúncio de onda gravitacional está chegando na quinta-feira Eis por que estamos emocitados

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Um grande anúncio de onda gravitacional está chegando na
quinta-feira. Eis por que estamos emocitados
Visualização das ondas gravitacionais geradas por dois buracos negros. (Henze/NASA) (em inglês)
Atualização 29 de junho de 2023: É oficial! Cientistas detectaram o zumbido de fundo do Universo pela
primeira vez. Você pode ler sobre o incrível avanço aqui.
Artigo original: O Universo deve estar cantarolando.
Cada supernova, cada fusão entre estrelas de nêutrons ou buracos negros, mesmo girando rapidamente
estrelas de nêutrons solitárias, poderia ou deveria ser uma fonte de ondas gravitacionais.
Mesmo a rápida inflação do espaço após o Big Bang há 13,8 bilhões de anos deveria ter produzido sua
própria cascata de ondas gravitacionais.
Como uma rocha jogada em uma lagoa, esses eventos maciços devem fazer ondulações reverberantes
através do próprio tecido do espaço-tempo – expansões fracas e contrações de espaço que poderiam
ser detectáveis para nós como discrepâncias no que deveria ser precisamente os sinais cronometrados.
Coletivamente, essa mistura de sinais se combina para formar um zumbido aleatório ou "estástico"
conhecido como fundo de onda gravitacional, e é uma das possivelmente detecções mais procurados na
astronomia de ondas gravitacionais.
E há indícios de que um desenvolvimento em torno deste mesmo assunto pode ser iminente, com o
Observatório Norte-Americano Nanohertz para Ondas Gravitacionais (NANOGrav) organizando um
anúncio coordenado e global na quinta-feira, 29 de junho de 2023.
A atualização lançará luz sobre a pesquisa conduzida pelo International Pulsar Timing Array – um
consórcio global de detectores de ondas gravitacionais: NANOGrav da América do Norte; o European
Pulsar Timing Array; o Indian Pulsar Timing Array Project; e o Parkes Pulsar Timing Array da Austrália.
https://www.sciencealert.com/breaking-news-physicists-have-detected-the-background-hum-of-the-universe
https://www.sciencealert.com/black-holes
https://www.sciencealert.com/gravitational-waves
https://www.sciencealert.com/big-bang
https://www.sciencealert.com/gravitational-waves
https://www.phys.ufl.edu/wp/index.php/2023/06/22/upcoming-nanograv-announcement/
https://www.sciencealert.com/pulsar
http://nanograv.org/
http://http//www.epta.eu.org/
http://inpta.iitr.ac.in/
http://www.atnf.csiro.au/research/pulsar/ppta/
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A nova fronteira na exploração espacial
Pensa-se – assim como a descoberta da radiação cósmica de fundo fez antes (e continua a fazer) – que
encontrar o fundo de onda gravitacional vai explodir a nossa compreensão do Universo e sua evolução
em aberto.
“Detectar um fundo estocástico de radiação gravitacional pode fornecer uma riqueza de informações
sobre populações e processos de origem astrofísica no Universo muito cedo, que não são acessíveis por
qualquer outro meio”, explica a física teórica Susan Scott, da Universidade Nacional Australiana e do
Centro de Excelência ARC para Descoberta de Ondas Gravitacionais.
Por exemplo, a radiação eletromagnética não fornece uma imagem do Universo antes do momento da
última dispersão (cerca de 400.000 anos após o Big Bang). Ondas gravitacionais, no entanto, podem
nos dar informações de volta ao início da inflação, apenas 10 a 32 segundos após o Big Bang.
https://www.sciencealert.com/cosmic-microwave-background
https://www.sciencealert.com/cosmic-microwave-background
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As ondas gravitacionais primordiais poderiam ter resultado da expansão após o Big Bang.
(NAOJ) (em inglês)
Para entender a importância do fundo de ondas gravitacionais, devemos falar um pouco sobre outra
relíquia do Big Bang: a radiação cósmica de fundo, ou CMB.
Momentos depois que nosso Universo começou a funcionar e o espaço começou a esfriar, a espuma
borbulhante que estava tudo engeando em uma sopa opaca de partículas subatômicas na forma de
plasma ionizado.
Qualquer radiação que surgisse com ele estava espalhada, impedindo-a de fazer-lhe uma grande
distância. Não foi até essas partículas subatômicas recombinadas em átomos, uma era conhecida como
a Época da Recombinação, que a luz poderia se mover livremente através do Universo e para baixo
através das eras.
O primeiro flash de luz irrompeu através do espaço cerca de 380.000 anos após o Big Bang, e, à medida
que o Universo cresceu e cresceu nos próximos bilhões de anos, essa luz foi arrastada para cada
esquina. Ainda está à nossa volta hoje. Esta radiação é extremamente fraca, mas detectável,
particularmente em comprimentos de onda de microondas. Esta é a CMB, a primeira luz do Universo.
As irregularidades nesta luz, referidas como anisotropias, foram causadas por pequenas flutuações de
temperatura representadas pela primeira luz. É difícil exagerar o quão fenomenal foi sua descoberta: a
CMB é uma das únicas sondas que temos do estado do Universo primitivo.
A descoberta do fundo de ondas gravitacionais seria uma replicação magnífica desta conquista.
https://gwpo.nao.ac.jp/en/gallery/000061.html
https://gwpo.nao.ac.jp/en/gallery/000061.html
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“Esperamos que a detecção e análise do fundo de ondas gravitacionais revolucione nossa compreensão
do Universo”, diz Scott, “da mesma forma pioneira na observação da radiação cósmica e suas
anisotropias”.
O burburinho além do boom-crash
A primeira detecção de ondas gravitacionais foi feita há pouco tempo, em 2015.
Dois buracos negros que colidiram há cerca de 1,4 bilhão de anos enviaram ondulações se propagando
à velocidade da luz; na Terra, essas expansões e contrações do espaço-tempo desencadearam um
instrumento projetado e refinado por décadas, esperando para detectar exatamente esse evento.
Representação artística de dois buracos negros em colisão. (Caltech/R. Magoação / IPAC)
Foi uma detecção monumental por várias razões. Isso nos deu uma confirmação direta, pela primeira
vez, da existência de buracos negros.
Ele confirmou uma previsão feita pela Teoria Geral da Relatividade 100 anos antes que as ondas
gravitacionais são reais.
E isso significava que essa ferramenta, o interferômetro de ondas gravitacionais, que os cientistas
vinham trabalhando há anos, revolucionaria nossa compreensão dos buracos negros.
E tem. Os interferômetros LIGO e Virgo detectaram quase 100 eventos de ondas gravitacionais até o
momento: aqueles fortes o suficiente para produzir um sinal acentuado nos dados.
Estes interferômetros usam lasers que brilham por túneis especiais de vários quilômetros de
comprimento. Esses lasers são afetados pelo alongamento e apertar do espaço-tempo produzido por
ondas gravitacionais, gerando um padrão de interferência a partir do qual os cientistas podem inferir as
propriedades dos objetos compactos que geram os sinais.
https://www.sciencealert.com/live-update-big-gravitational-wave-announcement-is-happening-right-now
https://www.ligo.caltech.edu/page/ligos-ifo
https://www.nasa.gov/image-feature/black-hole-collision-may-have-exploded-with-light
https://www.sciencealert.com/general-relativity
https://www.sciencealert.com/astronomers-have-detected-a-tsunami-of-gravitational-waves
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Mas o fundo de ondas gravitacionais é uma besta diferente.
“Um fundo astrofísico é produzido pelo ruído confuso de muitas fontes astrofísicas fracas, independentes
e não resolvidas”, diz Scott.
“Nossos detectores de ondas gravitacionais terrestres LIGO e Virgo já detectaram ondas gravitacionais
de dezenas de fusões individuais de um par de buracos negros, mas espera-se que o fundo astrofísico
de fusões de buracos negros binários de massa estelar seja uma fonte fundamental do GWB para esta
atual geração de detectores. Sabemos que há um grande número dessas fusões que não podem ser
resolvidas individualmente, e juntas elas produzem um zumbido de ruído aleatório nos detectores.
A taxa em que os buracos negros binários colidem no Universo é desconhecida, mas a taxa em que
podemos detectá-los nos dá uma linha de base a partir da qual podemos fazer uma estimativa.
Uma simulação numérica de uma fusão binária de buraco negro. (N. Fischer, H. (em inglês).
Pfeiffer, A. A. ColaboraçãoBuonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional),
Simulando eXtreme Spacetimes (SXS)
Os cientistas acreditam que é entre cerca de uma fusão por minuto, e vários por hora, com o sinal
detectável de cada um com duração de apenas uma fração de segundo. Esses sinais individuais e
aleatórios provavelmente seriam muito fracos para serem detectados, mas se combinariam para criar um
ruído de fundo estático; os astrofísicos o comparam ao som do popping de pipoca.
Esta seria a fonte de um sinal de onda gravitacional estocástica que poderíamos esperar encontrar com
instrumentos como os interferômetros LIGO e Virgo. Esses instrumentos estão atualmente em
manutenção e preparação e serão acompanhados por um terceiro observatório, o KAGRA no Japão, em
uma nova observação em março de 2023. Uma detecção da pipoca GWB por esta colaboração não está
fora de questão.
Estas não são as únicas ferramentas no kit de ondas gravitacionais, no entanto. E outras ferramentas
serão capazes de detectar outras fontes do fundo de onda gravitacional. Uma dessas ferramentas, ainda
daqui a 15 anos, é a Antena Espacial do Interferômetro a Laser (LISA), que será lançada em 2037.
https://www.sciencealert.com/black-holes
https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20200420b
https://arxiv.org/abs/2201.13414
https://observing.docs.ligo.org/plan/
https://www.ligo.org/science/Publication-O3StochIso/
https://www.ligo.org/science/Publication-O3StochIso/
https://www.google.com/url?q=https://lisa.nasa.gov/&sa=D&source=docs&ust=1672288395642999&usg=AOvVaw3ALZ_m5gnWpDwhR-Cd2_YJ
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É baseado na mesma tecnologia que LIGO e Virgo, mas com "armas" que são 2,5 milhões de
quilômetros de comprimento. Ele operará em um regime de frequência muito menor do que o LIGO e o
Virgo e, portanto, detectará diferentes tipos de eventos de ondas gravitacionais.
O LIGO consiste em um divisor de feixe dividindo um laser em direções perpendiculares.
Realinhar as vigas produz um padrão se um tiver mudado apenas a menor quantidade.
(Caltech/MIT/LIGO Lab)
“O GWB nem sempre é parecido com uma pipoca”, disse Scott ao ScienceAlert.
Também pode consistir em sinais determinísticos individuais que se sobrepõem no tempo produzindo um
ruído de confusão, semelhante às conversas de fundo em uma festa. Um exemplo de ruído de confusão
é a radiação gravitacional produzida pela população galáctica de binários compactos de anãs brancas.
Esta será uma importante fonte de ruído de confusão para o LISA. Neste caso, o sinal estocástico é tão
forte que se torna um primeiro plano, atuando como uma fonte adicional de ruído ao tentar detectar
outros sinais de ondas gravitacionais fracas na mesma banda de frequência.
O LISA poderia teoricamente também detectar fontes cosmológicas do fundo de ondas gravitacionais,
como a inflação cósmica logo após o Big Bang ou as cordas cósmicas – rachaduras teóricas no
Universo que poderiam ter se formado no final da inflação, perdendo energia através de ondas
gravitacionais.
Temporizando o pulso do cosmos
Há também um enorme observatório de ondas gravitacionais em escala galáctica que os cientistas têm
estudado para procurar pistas do fundo de onda gravitacional: matrizes de temporização pulsar. Os
pulsares são um tipo de estrela de nêutrons, os restos de estrelas outrora maciças que morreram em
uma supernova espetacular, deixando apenas um núcleo denso para trás.
Os pulsares giram de tal forma que os feixes de emissão de rádio de seus pólos passam pela Terra,
como um farol cósmico; alguns deles o fazem em intervalos incrivelmente precisos, o que é útil para uma
https://www.ligo.caltech.edu/page/what-is-interferometer
https://www.discovery.com/space/the-sheer-awesomeness-and-weirdness-of-cosmic-strings
https://www.sciencealert.com/pulsar
https://www.sciencealert.com/neutron-stars
https://www.sciencealert.com/neutron-stars
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variedade de aplicações, como a navegação.
Mas o alongamento e apertar do espaço-tempo devem, teoricamente, produzir pequenas irregularidades
no tempo de flashes pulsares.
Um pulsar exibindo ligeiras inconsistências no tempo pode não significar muito, mas se um grupo de
pulsares mostrou inconsistências de tempo correlacionadas, isso pode ser indicativo de ondas
gravitacionais produzidas por buracos negros supermassivos inspiradores.
Os cientistas encontraram indícios tentadores desta fonte de fundo de ondas gravitacionais em matrizes
de temporização pulsar, mas ainda não temos dados suficientes para determinar se esse é o caso.
Embora isso possa mudar com a última atualização na quinta-feira, 29 de junho de 2023.
Estamos tão atraentes perto de uma detecção do fundo de onda gravitacional: o fundo astrofísico,
revelando o comportamento dos buracos negros em todo o Universo; e o fundo cosmológico – as
flutuações quânticas vistas na CMB, inflação, o próprio Big Bang.
Isso, diz Scott, é a baleia branca: a que só veremos após o difícil trabalho de desvendar as fontes
discretas que compõem o todo barulhento.
“Embora estejamos ansiosos por uma riqueza de informações que venha da detecção de um fundo
produzido astrofisicamente, a observação de ondas gravitacionais do Big Bang é realmente o objetivo
final da astronomia de ondas gravitacionais”, diz ela.
“Ao remover esse primeiro plano binário de buracos negros, os detectores terrestres de terceira geração
propostos, como o Telescópio Einstein e o Explorador Cósmico, podem ser sensíveis a um fundo
cosmologicamente produzido com 5 anos de observações, entrando assim no reino onde importantes
observações cosmológicas podem ser feitas”.
Uma versão deste artigo foi publicada pela primeira vez em janeiro de 2023 e foi atualizada com notícias
do anúncio desta semana.
https://www.sciencealert.com/we-may-have-detected-another-hint-of-gravitational-waves-in-pulsing-stars