Ondas gravitacionais de nano-hertz agitam as estrelas numa descoberta inédita

É oficial: há algo lá fora a abanar as estrelas de uma forma que já não pode ser atribuída ao acaso.

Várias equipas em todo o mundo identificaram, de forma independente, um sinal no ritmo de estrelas intermitentes chamadas pulsares, que aponta para ondas gravitacionais gigantes e de grande comprimento de onda a atravessar a galáxia. Ainda não se trata propriamente de uma deteção dessas ondas gravitacionais, mas há mais de 99 por cento de probabilidade de estarmos perante algo significativo.

Equipas da Austrália, dos Estados Unidos, da Europa, da China e da Índia divulgam simultaneamente os seus resultados numa série de artigos.

"Estamos há 15 anos numa missão para encontrar um zumbido grave de ondas gravitacionais a ressoar por todo o Universo e a atravessar a nossa galáxia, deformando o espaço-tempo de uma forma mensurável", afirmou, numa conferência de imprensa, o astrofísico Stephen Taylor, da Universidade Vanderbilt e presidente da NANOGrav, a equipa norte-americana.

"Estamos muito satisfeitos por anunciar que o nosso trabalho árduo deu frutos e que… temos provas entusiasmantes deste fundo de ondas gravitacionais."

O fundo de ondas gravitacionais e os pulsares

A astronomia de ondas gravitacionais é uma área relativamente recente, surgida após a deteção, em 2015, de ondulações no espaço-tempo provocadas pela colisão de dois buracos negros. Desde então, os detetores terrestres de ondas gravitacionais registaram quase 100 eventos confirmados de ondas gravitacionais até à data deste artigo. Todos foram produzidos por fusões de objetos compactos de massa estelar, como buracos negros e estrelas de neutrões.

As ondas gravitacionais resultam de acontecimentos extremamente massivos no Universo. Uma colisão entre buracos negros pode ser comparada a uma pedra lançada a um lago, sendo as ondas gravitacionais as ondulações daí geradas. Neste caso, o meio é o próprio espaço-tempo e as ondulações propagam-se em todas as direções à velocidade da luz, esticando e comprimindo o espaço-tempo de uma forma que conseguimos medir. Explicámos aqui, com maior detalhe, todos os fundamentos para quem quiser aprofundar o tema.

Imagine-se agora o número de buracos negros que estarão a colidir por todo o Universo, bem como os muitos outros acontecimentos massivos capazes de gerar estas ondulações. O espaço-tempo deveria estar literalmente a vibrar com ondas gravitacionais, mas existe um obstáculo: a Terra é demasiado pequena para detetar comprimentos de onda mais longos, na escala dos nano-hertz, que podem estender-se por anos-luz. Estes são os comprimentos de onda esperados de eventos mais massivos, como as fusões de buracos negros supermassivos nos centros das galáxias.

Felizmente, vivemos numa galáxia muito maior do que a Terra. E há nela algo que emite sinais cronometrados com enorme precisão, os quais podem ser afetados por ondas gravitacionais de nano-hertz: os pulsares de rádio. São estrelas de neutrões que rodam extremamente depressa e cujos polos magnéticos projetam jatos de luz de rádio. À medida que giram, esses feixes passam pela Terra como um farol cósmico. Como o momento de cada pulso é tão rigoroso, pode ser usado para detetar a forma como o espaço é esticado e comprimido à passagem das ondas gravitacionais.

Uma pequena irregularidade no ritmo não basta. Porém, com pulsares suficientes a apresentarem irregularidades correlacionadas durante um período bastante longo, é possível reunir indícios de uma grande onda gravitacional. Foi precisamente isso que as diferentes equipas internacionais fizeram: estudaram, no conjunto, 115 pulsares, durante períodos que chegaram aos 18 anos no caso do Parkes Pulsar Timing Array, na Austrália.

"Uma matriz de temporização de pulsares é um detetor de ondas gravitacionais à escala galáctica. Detetámos um 'estrondo' comum entre os pulsares da nossa matriz - um sinal em frequências ultrabaixas", disse à ScienceAlert o astrofísico Daniel Reardon, do PPTA e da Universidade de Swinburne, na Austrália.

"Nós, juntamente com os nossos colegas internacionais, estamos agora também a observar um indício da impressão digital que identifica este estrondo como tendo origem em ondas gravitacionais."

Já tinham surgido sinais sugestivos desta presença. Em janeiro de 2021, a NANOGrav publicou um artigo que descrevia aquilo que considerava ser o primeiro indício do fundo de ondas gravitacionais nos seus dados de temporização de pulsares. Em janeiro de 2022, o International Pulsar Timing Array fez o mesmo com o seu próprio conjunto de pulsares.

Após um trabalho meticuloso para excluir a hipótese de o sinal ser produzido pelos pulsares ou por outro ruído presente nos dados, os investigadores concluíram agora que o sinal é significativo.

Confiança estatística do sinal de ondas gravitacionais

O sinal da NANOGrav apresenta um nível de confiança de 4 sigma em 67 pulsares, ou 99,349 por cento. O sinal do PPTA tem um nível de confiança inferior, porque analisou menos pulsares: a sua deteção baseia-se em apenas 30 estrelas, embora observadas durante mais tempo. O padrão de excelência para anunciar uma descoberta é de 5 sigma. Por isso, ainda há bastante trabalho a realizar.

"Isto ainda não é uma deteção de ondas gravitacionais", afirma Reardon. "Esta impressão digital terá de se tornar mais nítida, por exemplo através da utilização de mais dados, para confirmar uma deteção de ondas gravitacionais. Ainda assim, isto é muito entusiasmante, porque era esperado que a impressão digital surgisse lentamente nos nossos conjuntos de dados, tal como parece estar a acontecer nas provas observadas pelo conjunto de colaborações de matrizes de temporização de pulsares."

Como ainda não existe uma deteção confirmada de ondas gravitacionais, os investigadores não podem determinar de forma conclusiva a sua causa. A explicação mais evidente são os buracos negros supermassivos. As fusões de buracos negros supermassivos deverão ocorrer a um ritmo capaz de encher o Universo de ruído de ondas gravitacionais, semelhante ao estrondo do mar.

Contudo, esta não é a única fonte possível para o fundo de ondas gravitacionais. Cordas cósmicas, mudanças de fase no Universo e a rápida inflação do espaço que se seguiu ao Big Bang: todos estes fenómenos poderiam produzir ondas gravitacionais de baixa frequência. O próprio Big Bang também poderia tê-las produzido, embora nesse caso o comprimento de onda tivesse a dimensão do Universo - algo para o qual, definitivamente, não temos um detetor suficientemente grande.

O que provavelmente estamos a observar neste momento é o fundo produzido por buracos negros supermassivos.

Buracos negros supermassivos como provável origem

"Sabemos que todas as grandes galáxias têm um buraco negro supermassivo no seu núcleo. Também sabemos que as galáxias colidem e, quando isso acontece, esperamos que os buracos negros supermassivos desçam para o centro e comecem a orbitar um em torno do outro, emitindo ondas gravitacionais", explica Reardon.

"Quanto mais longe observamos no Universo, mais destes sistemas de buracos negros supermassivos conseguimos ver. Uma população muito grande de buracos negros supermassivos em órbita no Universo distante cria um oceano aleatório de ondas gravitacionais que atravessa a Terra e os pulsares da nossa galáxia."

A astronomia com matrizes de temporização de pulsares é um processo demorado, mas o sinal confirmado parece estar próximo. As várias matrizes de temporização de pulsares espalhadas pelo mundo combinaram agora os seus conjuntos de dados e trabalham para confirmar os resultados no âmbito da colaboração IPTA. Essa confirmação deverá chegar dentro de um ano, ou talvez dois, no limite.

Poderá então começar uma nova e ambiciosa era da astronomia de ondas gravitacionais de nano-hertz. Os investigadores poderão separar os componentes do sinal, estudar as suas características e determinar as fontes das enormes perturbações gravitacionais que ecoam pelo espaço. A partir daí, poderemos até começar a investigar as propriedades dos buracos negros supermassivos com um detalhe sem precedentes.

"Estes trabalhos com matrizes de temporização de pulsares são os primeiros indícios de ondas gravitacionais com frequências de nano-hertz", disse Reardon à ScienceAlert.

"É incrível imaginar que o Universo é realmente um oceano estrondoso de espaço a esticar e comprimir-se. Os buracos negros supermassivos são gigantes cósmicos no coração das galáxias, que se alimentam de gás e perturbam a formação estelar. Estou entusiasmado com um futuro em que as nossas observações de pulsares revelem um mapa intrincado de ondas gravitacionais produzidas por pares de buracos negros supermassivos. Deveremos observar o zumbido de fundo do Universo, com 'pontos quentes' localizados de ondas gravitacionais provenientes de pares individuais de buracos negros supermassivos situados em galáxias que conseguimos identificar."

Os artigos do PPTA deverão ser publicados em The Astrophysical Journal Letters e Publications of the Astronomical Society of Australia. Os cinco artigos da NANOGrav serão publicados em The Astrophysical Journal Letters. O trabalho do Chinese Pulsar Timing Array surge em Research in Astronomy and Astrophysics.

Serão adicionadas ligações para mais artigos à medida que ficarem disponíveis.