Desde que explodiu pela primeira vez em 13,8 bilhões de anos atrás, o universo tem se expandido, arrastando consigo centenas de bilhões de galáxias e estrelas, muito parecido com as passas em uma massa que cresce rapidamente.

Astrônomos apontaram telescópios para certas estrelas e outras fontes cósmicas para medir sua distância da Terra e quão rápido eles estão se afastando de nós - dois parâmetros que são essenciais para estimar a constante de Hubble, uma unidade de medida que descreve a taxa na qual o universo está se expandindo.

Mas até agora, os esforços mais precisos pousaram em valores muito diferentes da constante de Hubble, não oferecendo uma resolução definitiva para exatamente quão rápido o universo está crescendo. Essa informação, cientistas acreditam, poderia lançar luz sobre as origens do universo, bem como seu destino, e se o cosmos se expandirá indefinidamente ou finalmente entrará em colapso.

Agora, cientistas do MIT e da Universidade de Harvard propuseram uma maneira mais precisa e independente de medir a constante de Hubble, usando ondas gravitacionais emitidas por um sistema relativamente raro:um buraco negro-estrela binária de nêutrons, um emparelhamento extremamente energético de um buraco negro em espiral e uma estrela de nêutrons. À medida que esses objetos circulam em direção uns aos outros, eles deveriam produzir ondas gravitacionais que sacudissem o espaço e um flash de luz quando finalmente colidissem.

Em artigo a ser publicado em 12 de julho em Cartas de revisão física , os pesquisadores relatam que o flash de luz daria aos cientistas uma estimativa da velocidade do sistema, ou quão rápido está se afastando da Terra. As ondas gravitacionais emitidas, se detectado na Terra, deve fornecer uma medição independente e precisa da distância do sistema. Mesmo que binários de estrela de nêutrons de buraco negro sejam incrivelmente raros, os pesquisadores calculam que a detecção de até mesmo alguns deve render o valor mais preciso ainda para a constante de Hubble e a taxa de expansão do universo.

"Binários de estrela de nêutrons de buraco negro são sistemas muito complicados, sobre o qual sabemos muito pouco, "diz Salvatore Vitale, professor assistente de física no MIT e autor principal do artigo. "Se detectarmos um, o prêmio é que eles podem potencialmente dar uma contribuição dramática para a nossa compreensão do universo. "

O co-autor de Vitale é Hsin-Yu Chen, de Harvard.

Constantes concorrentes

Duas medições independentes da constante de Hubble foram feitas recentemente, um usando o telescópio espacial Hubble da NASA e outro usando o satélite Planck da Agência Espacial Europeia. A medição do Telescópio Espacial Hubble é baseada em observações de um tipo de estrela conhecida como variável Cefeida, bem como em observações de supernovas. Ambos os objetos são considerados "velas padrão, "por seu previsível padrão de brilho, que os cientistas podem usar para estimar a distância e a velocidade da estrela.

O outro tipo de estimativa é baseado em observações das flutuações na radiação cósmica de fundo em micro-ondas - a radiação eletromagnética que sobrou imediatamente após o Big Bang, quando o universo ainda estava em sua infância. Embora as observações de ambas as sondas sejam extremamente precisas, suas estimativas da constante de Hubble discordam significativamente.

"É aí que o LIGO entra no jogo, "Vitale diz.

LIGO, ou o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, detecta ondas gravitacionais - ondulações na gelatina do espaço-tempo, produzido por fenômenos astrofísicos cataclísmicos.

"As ondas gravitacionais fornecem uma maneira muito direta e fácil de medir as distâncias de suas fontes, "Vitale diz." O que detectamos com o LIGO é uma impressão direta da distância até a fonte, sem qualquer análise extra. "

Em 2017, os cientistas tiveram sua primeira chance de estimar a constante de Hubble a partir de uma fonte de onda gravitacional, quando o LIGO e sua contraparte italiana Virgo detectaram um par de estrelas de nêutrons em colisão pela primeira vez. A colisão liberou uma grande quantidade de ondas gravitacionais, que os pesquisadores mediram para determinar a distância do sistema da Terra. A fusão também lançou um flash de luz, que os astrônomos focaram com telescópios terrestres e espaciais para determinar a velocidade do sistema.

Com ambas as medidas, os cientistas calcularam um novo valor para a constante de Hubble. Contudo, a estimativa veio com uma incerteza relativamente grande de 14 por cento, muito mais incerto do que os valores calculados usando o Telescópio Espacial Hubble e o satélite Planck.

Vitale diz que grande parte da incerteza decorre do fato de que pode ser desafiador interpretar a distância de uma estrela binária de nêutrons da Terra usando as ondas gravitacionais que esse sistema em particular emite.

"Medimos a distância observando o quão 'alta' é a onda gravitacional, significando quão claro está em nossos dados, "Vitale diz." Se for muito claro, você pode ver o quão alto está, e isso dá a distância. Mas isso é apenas parcialmente verdadeiro para binários de estrelas de nêutrons. "

Isso porque esses sistemas, que criam um disco giratório de energia enquanto duas estrelas de nêutrons espiralam uma em direção à outra, emite ondas gravitacionais de forma desigual. A maioria das ondas gravitacionais disparam diretamente do centro do disco, enquanto uma fração muito menor escapa das bordas. Se os cientistas detectarem um sinal de onda gravitacional "alto", pode indicar um de dois cenários:as ondas detectadas originam-se da borda de um sistema que está muito próximo da Terra, ou as ondas emanaram do centro de um sistema muito mais distante.

"Com binários de estrelas de nêutrons, é muito difícil distinguir entre essas duas situações, "Vitale diz.

Uma nova onda

Em 2014, antes do LIGO fazer a primeira detecção de ondas gravitacionais, Vitale e seus colegas observaram que um sistema binário composto de um buraco negro e uma estrela de nêutrons poderia fornecer uma medição de distância mais precisa, em comparação com binários de estrelas de nêutrons. A equipe estava investigando a precisão com que se pode medir o spin de um buraco negro, dado que os objetos são conhecidos por girar em seus eixos, semelhante à Terra, mas muito mais rapidamente.

Os pesquisadores simularam uma variedade de sistemas com buracos negros, incluindo binários de estrela de nêutrons de buraco negro e binários de estrelas de nêutrons. Como um subproduto desse esforço, a equipe percebeu que eles foram capazes de determinar com mais precisão a distância dos binários de estrela de nêutrons-buraco negro, em comparação com binários de estrelas de nêutrons. Vitale diz que isso se deve ao giro do buraco negro em torno da estrela de nêutrons, o que pode ajudar os cientistas a identificar melhor de onde no sistema as ondas gravitacionais estão emanando.

"Por causa dessa melhor medição de distância, Eu pensei que os binários de estrela de nêutrons de buraco negro poderiam ser uma sonda competitiva para medir a constante de Hubble, "Vitale diz." Desde então, muita coisa aconteceu com o LIGO e a descoberta das ondas gravitacionais, e tudo isso foi colocado em banho-maria. "

Vitale recentemente voltou à sua observação original, e neste novo papel, ele se propôs a responder a uma questão teórica:

"É o fato de que cada binário de estrela de nêutrons de buraco negro vai me dar uma distância melhor para compensar o fato de que, potencialmente, há muito menos deles no universo do que binários de estrelas de nêutrons? ”diz Vitale.

Para responder a esta pergunta, a equipe executou simulações para prever a ocorrência de ambos os tipos de sistemas binários no universo, bem como a precisão de suas medições de distância. A partir de seus cálculos, eles concluíram que, mesmo que os sistemas binários de nêutrons superassem os sistemas estelares de nêutrons-buracos negros em 50-1, o último produziria uma constante de Hubble semelhante em precisão ao primeiro.

Mais otimista, se binários de estrela de nêutrons de buraco negro fossem ligeiramente mais comuns, mas ainda mais raro do que binários de estrelas de nêutrons, o primeiro produziria uma constante de Hubble quatro vezes mais precisa.

"Até aqui, as pessoas se concentraram em estrelas de nêutrons binárias como uma forma de medir a constante de Hubble com ondas gravitacionais, "Vitale diz." Nós mostramos que há outro tipo de fonte de onda gravitacional que até agora não foi tão explorada:buracos negros e estrelas de nêutrons espiralando juntas, "Vitale diz." O LIGO começará a coletar dados novamente em janeiro de 2019, e será muito mais sensível, o que significa que seremos capazes de ver objetos mais distantes. Portanto, o LIGO deve ver pelo menos um buraco negro-estrela binária de nêutrons, e até 25, o que ajudará a resolver a tensão existente na medição da constante de Hubble, esperançosamente nos próximos anos. "