Detector de ondas gravitacionais do tamanho de uma galáxia revela 'ponto quente' de atividade: WebCuriosos

Utilizando o maior detector de ondas gravitacionais já feito, confirmamos relatos anteriores de que a estrutura do Universo está constantemente vibrando. Este ruído de fundo é provavelmente causado por colisões entre os enormes buracos negros que residem nos corações das galáxias.

Os resultados do nosso detector – um conjunto de estrelas de neutrões em rotação rápida espalhadas pela galáxia – mostram que esta “onda de fundo gravitacional” pode ser mais forte do que se pensava anteriormente. Também fizemos os mapas mais detalhados de ondas gravitacionais no céu e descobrimos um intrigante “ponto quente” de atividade no Hemisfério Sul.

Nosso pesquisar é publicado hoje em três papéis no Avisos mensais da Royal Astronomical Society.

Ondulações no espaço e no tempo

Ondas gravitacionais são ondulações na estrutura do espaço e do tempo. Eles são criados quando objetos incrivelmente densos e massivos orbitam ou colidem uns com os outros.

Os objetos mais densos e massivos do Universo são os buracos negros, restos de estrelas mortas. Uma das únicas maneiras de estudar buracos negros é procurar as ondas gravitacionais que eles emitem quando se movem próximos uns dos outros.

Assim como a luz, as ondas gravitacionais são emitidas em um espectro. Os buracos negros mais massivos emitem as ondas mais lentas e poderosas – mas para estudá-los, precisamos de um detector do tamanho da nossa galáxia.

As ondas gravitacionais de alta frequência criadas por colisões entre buracos negros relativamente pequenos podem ser detectadas com detectores baseados na Terra e foram observadas pela primeira vez em 2015. No entanto, evidência pois a existência de ondas mais lentas e poderosas só foi descoberta no ano passado.

Vários grupos de astrónomos em todo o mundo montaram detectores de ondas gravitacionais à escala galáctica, observando de perto o comportamento de grupos de tipos específicos de estrelas. Nosso experimento, o Matriz de temporização do pulsar MeerKATé o maior desses detectores em escala galáctica.

Hoje anunciámos mais evidências de ondas gravitacionais de baixa frequência, mas com algumas diferenças intrigantes em relação aos resultados anteriores. Em apenas um terço do tempo de outras experiências, encontrámos um sinal que sugere um universo mais activo do que o previsto.

Também conseguimos mapear a arquitetura cósmica deixada para trás pela fusão de galáxias com mais precisão do que nunca.

Buracos negros, galáxias e pulsares

No centro da maioria das galáxias, acreditam os cientistas, vive um objeto gigantesco conhecido como buraco negro supermassivo. Apesar da sua enorme massa – milhares de milhões de vezes a massa do nosso Sol – estes gigantes cósmicos são difíceis de estudar.

Os astrônomos sabem da existência de buracos negros supermassivos há décadas, mas apenas observaram diretamente um deles. pela primeira vez em 2019.

Quando duas galáxias se fundem, os buracos negros nos seus centros começam a espiralar um em direcção ao outro. Neste processo, eles emitem ondas gravitacionais lentas e poderosas que nos dão a oportunidade de estudá-los.

Fazemos isso usando outro grupo de objetos cósmicos exóticos: pulsares. Estas são estrelas extremamente densas feitas principalmente de nêutrons, que podem ter o tamanho de uma cidade, mas são duas vezes mais pesadas que o Sol.

Os pulsares giram centenas de vezes por segundo. À medida que giram, agem como faróis, atingindo a Terra com pulsos de radiação vindos de milhares de anos-luz de distância. Para alguns pulsares, podemos prever quando esse pulso nos atingirá em nanossegundos.

Nossos detectores de ondas gravitacionais aproveitam esse fato. Se observarmos muitos pulsares durante o mesmo período de tempo e estivermos errados sobre quando os pulsos nos atingiram de uma forma muito específica, sabemos que uma onda gravitacional está esticando ou comprimindo o espaço entre a Terra e os pulsares.

No entanto, em vez de ver apenas uma onda, esperamos ver um oceano cósmico cheio de ondas cruzando-se em todas as direções – as ondulações que ecoam de todas as fusões galácticas na história do universo. Chamamos isso de fundo de onda gravitacional.

Um sinal surpreendentemente alto – e um ‘ponto quente’ intrigante

Para detectar o fundo da onda gravitacional, usamos o Radiotelescópio MeerKAT na África do Sul. MeerKAT é um dos radiotelescópios mais sensíveis do mundo.

Como parte do MeerKAT Pulsar Timing Array, tem observado um grupo de 83 pulsares durante cerca de cinco anos, medindo com precisão quando os seus pulsos chegam à Terra. Isso nos levou a encontrar um padrão associado a uma onda gravitacional de fundo, só que é um pouco diferente do que outros experimentos encontraram.

O padrão, que representa como o espaço e o tempo entre a Terra e os pulsares são alterados pelas ondas gravitacionais que passam entre eles, é mais poderoso do que o esperado.

Isto pode significar que há mais buracos negros supermassivos orbitando uns aos outros do que pensávamos. Se assim for, isto levanta mais questões – porque as nossas teorias existentes sugerem que deveria haver menos buracos negros supermassivos do que parecemos estar a ver.

O tamanho do nosso detector e a sensibilidade do telescópio MeerKAT significam que podemos avaliar o fundo com extrema precisão. Isso nos permitiu criar os mapas mais detalhados do fundo das ondas gravitacionais até o momento. Mapear o cenário desta forma é essencial para a compreensão da arquitetura cósmica do nosso Universo.

Pode até nos levar à fonte final dos sinais de ondas gravitacionais que observamos. Embora pensemos que é provável que o pano de fundo surja das interações destes buracos negros colossais, também pode resultar de mudanças no universo energético inicial após o Big Bang – ou talvez de eventos ainda mais exóticos.

Os mapas que criamos mostram um intrigante ponto quente de atividade de ondas gravitacionais no céu do Hemisfério Sul. Este tipo de irregularidade apoia a ideia de um fundo criado por buracos negros supermassivos, em vez de outras alternativas.

No entanto, criar um detector de tamanho galáctico é incrivelmente complexo e é muito cedo para dizer se isso é genuíno ou se é uma anomalia estatística.

Para confirmar as nossas conclusões, estamos a trabalhar para combinar os nossos novos dados com resultados de outras colaborações internacionais sob a bandeira do Matriz Internacional de Tempo de Pulsar.

Mateus MilesPesquisador de Pós-Doutorado em Astrofísica, Universidade de Tecnologia de Swinburne e Rowina NathanAstrofísico, Universidade Monash

Este artigo foi republicado de A conversa sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.