Na manhã de 17 de agosto, 2017, depois de viajar por mais de cem milhões de anos, os tremores secundários de uma colisão massiva em uma galáxia distante, longe, finalmente, alcançou a Terra.

Essas ondulações na estrutura do espaço-tempo, chamadas ondas gravitacionais, disparou alarmes em dois detectores ultrassensíveis chamados LIGO, envio de textos voando e cientistas embaralhados. Um dos cientistas foi o Prof. Daniel Holz, da Universidade de Chicago. A descoberta forneceu a ele as informações de que precisava para fazer uma nova medição inovadora de um dos números mais importantes da astrofísica:a constante de Hubble, que é a taxa na qual o universo está se expandindo.

A constante de Hubble contém as respostas para grandes questões sobre o universo, como seu tamanho, idade e história, mas as duas maneiras principais de determinar seu valor produziram resultados significativamente diferentes. Agora havia uma terceira via, que poderia resolver uma das questões mais urgentes da astronomia - ou poderia solidificar a suspeita crescente, realizada por muitos no campo, que há algo substancial faltando em nosso modelo do universo.

"Num flash, tínhamos um novo, maneira completamente independente de fazer uma medição de uma das quantidades mais profundas da física, "disse Holz." Daquele dia vou me lembrar por toda a minha vida. "

Com a volta do LIGO em 1º de abril, Holz e outros cientistas estão se preparando para mais dados que podem lançar luz sobre algumas das maiores questões do universo.

Questões universais

Há muito tempo que sabemos que o universo está se expandindo (desde que o eminente astrônomo e ex-aluno da UChicago, Edwin Hubble, fez a primeira medição da expansão em 1929, na verdade), mas em 1998, os cientistas ficaram surpresos ao descobrir que a taxa de expansão não está diminuindo à medida que o universo envelhece, mas, na verdade, acelerando com o tempo. Nas décadas seguintes, enquanto tentavam determinar com precisão a taxa, tornou-se aparente que métodos diferentes para medir a taxa produzem respostas diferentes.

Um dos dois métodos mede o brilho de supernovas - estrelas em explosão - em galáxias distantes; o outro olha para pequenas flutuações na radiação cósmica de fundo, a luz fraca que sobrou do Big Bang. Os cientistas trabalham há duas décadas para aumentar a exatidão e a precisão de cada medição, e descartar quaisquer efeitos que possam estar comprometendo os resultados; mas os dois valores ainda discordam obstinadamente em quase 10 por cento.

Como o método da supernova olha para objetos relativamente próximos, e a radiação cósmica de fundo é muito mais antiga, é possível que ambos os métodos estejam certos - e que algo profundo sobre o universo mudou desde o início dos tempos.

"Não sabemos se um ou ambos os outros métodos apresentam algum tipo de erro sistemático, ou se eles realmente refletem uma verdade fundamental sobre o universo que está faltando em nossos modelos atuais, "disse Holz." Qualquer uma das coisas é possível.

Holz viu a possibilidade de um terceiro, forma completamente independente de medir a constante de Hubble - mas dependeria de uma combinação de sorte e feitos extremos de engenharia.

A 'sirene padrão'

Em 2005, Holz escreveu um artigo com Scott Hughes, do Massachusetts Institute of Technology, sugerindo que seria possível calcular a constante de Hubble por meio de uma combinação de ondas gravitacionais e luz. Eles chamaram essas fontes de "sirenes padrão, "um aceno para" velas padrão ", que se refere às supernovas usadas para fazer a medição da constante de Hubble.

Mas, primeiro, levaria anos para desenvolver uma tecnologia que pudesse captar algo tão efêmero como ondulações no tecido do espaço-tempo. Isso é LIGO:um conjunto de enormes, detectores extremamente sensíveis que são ajustados para captar as ondas gravitacionais emitidas quando algo grande acontece em algum lugar do universo.

17 de agosto, As ondas de 2017 vieram de duas estrelas de nêutrons extremamente pesadas, que giraram em torno de si em uma galáxia distante antes de finalmente se chocarem com a velocidade da luz. A colisão enviou ondas gravitacionais ondulando por todo o universo e também liberou uma explosão de luz, que foi captado por telescópios dentro e ao redor da Terra.

Essa explosão de luz foi o que deixou o mundo científico confuso. LIGO já havia captado leituras de ondas gravitacionais antes, mas todos os anteriores eram de colisões de dois buracos negros, que não pode ser visto com telescópios convencionais.

Mas eles podiam ver a luz das estrelas de nêutrons em colisão, e a combinação de ondas e luz revelou um tesouro de riquezas científicas. Entre eles estavam as duas informações de que Holz precisava para fazer seu cálculo da constante de Hubble.

Como funciona o método?

Para fazer esta medição da constante de Hubble (em homenagem ao cientista pioneiro e ex-aluno da UChicago Edwin Hubble), você precisa saber com que rapidez um objeto - como um par de estrelas de nêutrons que recentemente colidiu - está se afastando da Terra, e quão longe estava para começar. A equação é surpreendentemente simples. É assim:A constante de Hubble é a velocidade do objeto dividida pela distância até o objeto, ou H =v / d.

Um tanto contra-intuitivamente, a parte mais fácil de calcular é a velocidade com que o objeto se move. Graças ao brilho intenso emitido pela colisão, astrônomos poderiam apontar telescópios para o céu e localizar a galáxia onde as estrelas de nêutrons colidiram. Então, eles podem tirar vantagem de um fenômeno chamado redshift:conforme um objeto distante se afasta de nós, a cor da luz emitida muda ligeiramente em direção à extremidade vermelha do espectro. Ao medir a cor da luz da galáxia, eles podem usar esse avermelhamento para estimar a velocidade com que a galáxia está se afastando de nós. Este é um truque centenário para os astrônomos.

A parte mais difícil é obter uma medida precisa da distância até o objeto. É aqui que as ondas gravitacionais entram. O sinal que os detectores LIGO captam é interpretado como uma curva, assim:

A forma do sinal informa aos cientistas o tamanho das duas estrelas e quanta energia a colisão gerou. Ao comparar isso com a força das ondas quando chegaram à Terra, eles podiam inferir a que distância as estrelas deviam estar.

O valor inicial apenas dessa sirene padrão foi de 70 quilômetros por segundo por megaparsec. Isso está bem entre os outros dois métodos, que encontram cerca de 73 (do método da supernova) e 67 (do fundo cósmico de micro-ondas).

Claro, isso é apenas um único ponto de dados. Mas os detectores LIGO estão ligando novamente após uma atualização para aumentar sua sensibilidade. Embora ninguém saiba exatamente com que frequência as estrelas de nêutrons colidem, Holz é co-autor de um artigo estimando que o método das ondas gravitacionais pode fornecer uma solução revolucionária, medição extremamente precisa da constante de Hubble em cinco anos.

"Conforme o tempo passa, vamos observar mais e mais dessas fusões de estrelas de nêutrons binárias, e usá-los como sirenes padrão para melhorar continuamente nossa estimativa da constante de Hubble. Dependendo de onde nosso valor cai, podemos confirmar um método ou outro. Ou podemos encontrar um valor totalmente diferente, "Holz disse." Não importa o que encontremos, vai ser interessante - e será um passo importante para aprender mais sobre o nosso universo. "