p A história da ciência está repleta de histórias de pesquisadores entusiasmados aos poucos conquistando colegas céticos quanto a seus pontos de vista. O astrofísico Scott Hughes pode se identificar com esses contos. p "Nos primeiros 15 ou 16 anos de minha carreira, estive falando com astrônomos, e sempre tive a impressão de que eles estavam educadamente interessados ​​no que eu tinha a dizer, mas me considerou um pouco como um entusiasta de olhos arregalados que estava contando a eles sobre uma manada de unicórnios que meus amigos e eu estávamos criando, "disse Hughes.

p "Agora, " Ele continuou, "tem gente que vai, 'Ooh, todos aqueles unicórnios que você encontrou, posso usá-los para resolver meu problema? Seus unicórnios têm asas? Eles são brilhantes? '"

p Esses unicórnios são ondas gravitacionais, uma área da física na qual Hughes se especializou. Enquanto trabalhava como pesquisadores de pós-doutorado no Instituto Kavli de Física Teórica (KITP) da UC Santa Bárbara, Hughes e seu colega, Daniel Holz, estavam entre os primeiros a propor o uso do fenômeno, em combinação com observações baseadas em telescópio, para medir a constante de Hubble, uma quantidade fundamental envolvida na descrição da expansão do universo.

p À medida que o universo se expande, ele carrega os objetos celestes para longe de nós. Isso estende o comprimento de onda da luz que detectamos desses objetos, fazendo com que sua frequência caia como a sirene de uma ambulância que passa. Quanto mais rápido o objeto está recuando, quanto mais sua luz se deslocará em direção à extremidade vermelha do espectro. A constante de Hubble relaciona a distância de um objeto da Terra a este desvio para o vermelho, e, portanto, a velocidade do objeto à medida que é levado.

p Uma das melhores ferramentas de um astrônomo para calcular isso é uma vela padrão, qualquer classe de objetos que sempre têm o mesmo, brilho padrão. Se os cientistas sabem o brilho de um objeto, eles podem determinar sua distância medindo quão escuro ele parece para nós na Terra.

p Por décadas, os cientistas tentaram obter medições precisas da constante de Hubble para investigar por que o universo está se expandindo, e, na verdade, acelerando. Em última análise, isso se resolve em medir os desvios para o vermelho dos objetos e combiná-los com medições independentes das distâncias dos objetos de nós. Contudo, essas duas medições mais precisas que os cientistas atualmente têm para a constante de Hubble discordam - uma fonte inesgotável de frustração para cosmologistas.

p Uma proposta

p Esta foi a paisagem cosmológica no início de 2000, quando Holz e Hughes ocuparam cargos como pesquisadores de pós-doutorado no KITP. "Scott vinha pensando em ondas gravitacionais há algum tempo, "disse Holz." Ele era o especialista, e eu estava muito mais focado em questões cosmológicas. "Mas o entusiasmo de Hughes logo despertou a curiosidade de Holz, e os dois começaram a falar sobre cosmologia de ondas gravitacionais no escritório e em caminhadas ao longo das falésias de Santa Bárbara.

p Holz e Hughes creditam sua estreita colaboração na construção da nova ala do Kohn Hall em 2001. Inicialmente, todos os pós-doutorandos do KITP tinham seus próprios escritórios, explicou Hughes, mas a construção os obrigou a dobrar. "De repente, passávamos muito mais tempo juntos."

p Um programa KITP de 2002 sobre dados cosmológicos acendeu o interesse pelo tópico. Quando Hughes deixou o corpo docente do MIT, eles haviam terminado o primeiro rascunho de seu artigo detalhando como calcular a constante de Hubble com ondas gravitacionais. Após dois anos de gestação, eles finalmente publicaram o estudo no The Astrophysical Journal .

p "Eu me diverti muito escrevendo aquele artigo com Scott, "disse Holz." Aprendi uma quantidade incrível. Tanto que estava convencido de que as ondas gravitacionais eram o futuro, e que eu deveria me envolver. "

p A ideia de usar fontes de ondas gravitacionais para medir a constante de Hubble não era nova. O conceito foi proposto pela primeira vez em um artigo visionário em 1986 por Bernard Schutz. E uma série de outras noções sobre ondas gravitacionais também estavam flutuando na literatura no início dos anos 2000. Mas o que Holz e Hughes fizeram foi sintetizar todas essas idéias e enfatizar a viabilidade de combinar dados de ondas gravitacionais com observações de acompanhamento usando luz.

p O estudo também foi o primeiro a usar o termo "sirene padrão". Hughes se lembra de ter discutido o artigo com o astrofísico Sterl Phinney da Caltech, quem comentou, "Hmm. Mais ou menos como uma vela padrão, mas você ouve. Você deveria chamá-la de sirene padrão. "Holz, independentemente, teve uma conversa quase idêntica com o físico Sean Carroll, ele próprio um ex-pós-doutorado do KITP. Holz e Hughes incluíram o termo em seu artigo, e ficou preso. Desde então, a frase se tornou onipresente na cosmologia.

p "O termo 'sirene padrão' pode ser nossa contribuição mais duradoura, Scott, "Holz observou." Vou aceitar, "riu Hughes.

p Usar ondas gravitacionais para medir a constante de Hubble tem muitas vantagens sobre outros métodos. Certas supernovas fornecem velas padrão decentes, "mas, como uma vela padrão, supernovas não são muito bem compreendidas, "disse Holz." A principal coisa que torna as sirenes convencionais interessantes é que elas são compreendidas desde os primeiros princípios, diretamente da teoria da relatividade geral. "

p Ao usar velas padrão, os cientistas têm que calibrar as distâncias de certas classes de objetos usando as informações de outras, efetivamente saltando seu caminho para uma medição de distância adequada. Os astrônomos chamam este método de "escada de distância, "e erros e incertezas podem surgir em muitos pontos dos cálculos.

p Em contraste, ondas gravitacionais podem fornecer uma medida direta da distância de um objeto. "Você apenas escreve as equações e as resolve, e então você está pronto, "disse Holz." Nós testamos a relatividade geral por cem anos; Realmente funciona, e diz 'aqui está a distância dessa fonte'. Não há escada de distância, não há nada disso brincando. "

p Todos os primeiros artigos sobre a medição da constante de Hubble usando ondas gravitacionais foram um tanto especulativos, de acordo com Holz. Eram propostas para um futuro distante. "Ainda não tínhamos detectado as ondas gravitacionais, muito menos ondas de duas estrelas de nêutrons, muito menos com uma contraparte óptica, "disse ele. Mas o interesse e o entusiasmo pela técnica foram crescendo.

p Hughes se lembra de colegas vindo até ele depois de suas palestras e perguntando sobre a probabilidade de observar uma sirene padrão na próxima década. Ele nao sabia, mas ele disse isso com uma melhor compreensão da contraparte óptica, eles provavelmente poderiam localizar um evento dentro de 10-20 graus quadrados. "E eu acho que se você tiver isso, cada pedaço de vidro grande na Terra vai olhar para aquele ponto no céu, "Hughes havia dito." E, no fim, Isso é exatamente o que aconteceu."

p E então aconteceu

p Em 17 de agosto, 2017, menos de dois anos depois de detectar as primeiras ondas gravitacionais, os observatórios LIGO e Virgo registraram um sinal de estrelas de nêutrons em fusão. Graças a um sistema de alerta, que Holz ajudou a estabelecer, seguiu-se uma enxurrada de atividades enquanto quase todos os principais observatórios terrestres e espaciais treinavam seus olhos para o evento. Os cientistas coletaram dados sobre a fusão em todas as regiões do espectro eletromagnético.

p "É realmente uma daquelas coisas em que, se tivesse acontecido antes de eu me aposentar, Eu teria ficado feliz, "disse Hughes." Mas na verdade aconteceu antes de eu completar 50 anos. "

p De repente, a cosmologia das ondas gravitacionais era um campo real, e sirenes padrão eram outra parte do kit de ferramentas. "Mas algo para se tornar parte do kit de ferramentas tão rapidamente? Isso é extraordinariamente incomum, "disse Holz.

p Acontece que os cosmologistas precisam de outra ferramenta, porque eles atualmente têm dois valores diferentes para a constante de Hubble. Métodos que usam a radiação cósmica de fundo - luz fraca que sobrou do big bang - produzem um valor de cerca de 68. Enquanto isso, cálculos que usam supernovas Tipo Ia - uma variedade de velas padrão - produzem um pouco mais de 73.

p Embora pareçam próximos, os dois valores realmente diferem por três desvios padrão, e ambos têm barras de erro bastante estreitas. A divergência tem cosmologistas cada vez mais preocupados, pois as barras de erro nesses dois valores só ficam mais estreitas. Pode sinalizar um problema fundamental em nossa compreensão do universo, e é o assunto de uma conferência KITP em julho.

p Existem algumas diferenças intrínsecas entre as duas técnicas, no entanto. A radiação cósmica de fundo reflete as condições do universo primordial, enquanto as supernovas pintam um quadro do universo atual. "Há uma chance de que algo muito estranho e inesperado tenha acontecido entre o início e o fim do universo, e é por isso que esses valores não concordam, "disse Holz. Mas os cosmologistas simplesmente não têm certeza.

p Pegando outro, um valor independente para a constante de Hubble ajudará a esclarecer esse enigma. "Porque é tão limpo e tão direto, essa medição será um número muito atraente, "Holz explicou." No mínimo, vai informar esta discussão, senão resolvê-lo completamente. "

p Holz e seus colegas, Hsin-Yu Chen e Maya Fishbach, acabei de publicar um artigo na revista Nature, descobrir que 20 a 30 observações permitiriam aos cientistas calcular a constante de Hubble com uma precisão de 2 por cento, suficientemente apertado para começar a compará-lo com os dois valores da radiação cósmica de fundo e das supernovas.

p Este Verão, Holz está co-organizando um programa KITP sobre a nova era da física das ondas gravitacionais e astrofísica, e o novo campo da cosmologia da sirene padrão será um importante tópico de discussão. Na verdade, Holz também ajudou a organizar o programa de resposta rápida KITP que reuniu pesquisadores logo após a primeira detecção de ondas gravitacionais do LIGO.

p Holz e Hughes creditam seu sucesso às experiências no KITP. "Enquanto trabalhamos juntos no KITP, nós dois ficamos entusiasmados com a medição da constante de Hubble usando ondas gravitacionais, "disse Holz." E é exatamente disso que se trata o KITP:reunir pessoas diferentes com experiências diferentes, mexendo na panela e vendo o que acontece. "

p Na última década, a carreira de Holz se concentrou na cosmologia padrão das sirenes. "E o mais incrível é que realmente fizemos isso, "ele disse." Eu ajudei a escrever o artigo que fez a primeira medição de sirene padrão de todos os tempos. Isso era exatamente o que Scott e eu tínhamos hipotetizado anos antes. "

p "Se nós dois não estivéssemos no KITP, de jeito nenhum eu estaria gastando uma boa fração da minha vida em teleconferências LIGO agora, - disse Holz. - Mas eu não aceitaria de outra maneira.