Quando os cientistas registraram uma ondulação no espaço-tempo, seguido em dois segundos por uma explosão de luz associada observada por dezenas de telescópios ao redor do globo, eles testemunharam, pela primeira vez, a colisão explosiva e fusão de duas estrelas de nêutrons.

O intenso evento cosmológico observado em 17 de agosto também teve outras reverberações aqui na Terra:ele descartou uma classe de teorias de energia escura que modificam a gravidade, e desafiou uma grande classe de teorias.

Energia escura, que está impulsionando a expansão acelerada do universo, é um dos maiores mistérios da física. Ele constitui cerca de 68 por cento da massa e energia total do universo e funciona como uma espécie de antigravidade, mas ainda não temos uma boa explicação para isso. Simplificando, a energia escura age para afastar a matéria uma da outra, enquanto a gravidade atua para reunir a matéria.

A fusão da estrela de nêutrons criou ondas gravitacionais - uma distorção irregular na estrutura do espaço e do tempo, como uma pedra lançada enviando ondas em um lago - que viajou cerca de 130 milhões de anos-luz através do espaço, e chegou à Terra quase no mesmo instante em que a luz de alta energia que saiu dessa fusão.

A assinatura das ondas gravitacionais foi detectada por uma rede de detectores baseados na Terra chamados LIGO e Virgo, e a primeira explosão intensa de luz foi observada pelo Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray.

Esse tempo de chegada quase simultâneo é um teste muito importante para as teorias sobre a energia escura e a gravidade.

"Nossos resultados fazem um progresso significativo para elucidar a natureza da energia escura, "disse Miguel Zumalacárregui, um físico teórico que faz parte do Berkeley Center for Cosmological Physics do Lawrence Berkeley National Laboratory do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e da UC Berkeley.

"As teorias mais simples sobreviveram, "ele disse." É realmente sobre o momento. "

Ele e Jose María Ezquiaga, que foi um Ph.D. visitante pesquisador do Berkeley Center for Cosmological Physics, participou neste estudo, que foi publicado em 18 de dezembro na revista Cartas de revisão física .

Uma teoria da "constante cosmológica" de 100 anos introduzida por Albert Einstein em relação ao seu trabalho sobre a relatividade geral e algumas outras teorias derivadas deste modelo permanecem como contendores viáveis ​​porque propõem que a energia escura é uma constante no espaço e no tempo:Ondas gravitacionais e ondas de luz são afetadas da mesma forma pela energia escura, e assim viajar na mesma velocidade através do espaço.

"A explicação favorita é esta constante cosmológica, "ele disse." Isso é o mais simples possível. "

Existem algumas teorias complicadas e exóticas que também resistem ao teste apresentado pelas medições de fusão de estrelas. Gravidade maciça, por exemplo - uma teoria da gravidade que atribui uma massa a uma partícula elementar hipotética chamada gráviton - ainda mantém uma lasca de possibilidade se o gráviton tiver uma massa muito pequena.

Algumas outras teorias, no entanto, que sustentava que a chegada de ondas gravitacionais seria separada no tempo da assinatura de luz que chegava da fusão estelar por períodos muito mais longos - estendendo-se por milhões de anos - não explica o que foi visto, e deve ser modificado ou descartado.

O estudo observa que uma classe de teorias conhecidas como teorias escalar-tensor é particularmente desafiada pelas observações da fusão de estrelas de nêutrons, incluindo Einstein-Aether, Semelhante a MOND (relacionado à dinâmica newtoniana modificada), Galileon, e teorias de Horndeski, para nomear alguns.

Com ajustes, alguns dos modelos desafiados podem sobreviver ao último teste da fusão estrela, Zumalacárregui disse, embora eles "percam um pouco de sua simplicidade" no processo.

Zumalacárregui ingressou no centro cosmológico no ano passado e é pesquisadora global Marie Sk? Odowska-Curie, especializada em estudos de gravidade e energia escura.

Ele começou a estudar se as ondas gravitacionais poderiam fornecer um teste útil de energia escura após o anúncio de fevereiro de 2016 de que os dois conjuntos de detectores de ondas gravitacionais chamados LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) capturaram a primeira medição confirmada de ondas gravitacionais. Os cientistas acreditam que essas ondas foram criadas na fusão de dois buracos negros para criar um buraco negro maior.

Mas esses tipos de eventos não produzem uma explosão de luz associada. "Você precisa de ambos - não apenas ondas gravitacionais para ajudar a testar as teorias da gravidade e da energia escura, "Zumalacárregui disse.

Outro estudo, que publicou com Ezquiaga e outros em abril de 2017, explorou as condições teóricas sob as quais as ondas gravitacionais podem viajar a uma velocidade diferente da da luz.

Outra implicação para este campo de pesquisa é que, coletando ondas gravitacionais destes e possivelmente de outros eventos cosmológicos, pode ser possível usar suas assinaturas características como "sirenes padrão" para medir a taxa de expansão do universo.

Isso é análogo a como os pesquisadores usam assinaturas de luz semelhantes para objetos - incluindo um tipo de estrelas em explosão conhecidas como supernovas Tipo Ia e estrelas pulsantes conhecidas como cefeidas - como "velas padrão" para medir sua distância.

Os cosmologistas usam uma combinação de tais medições para construir uma chamada escada de distância para medir a distância de um determinado objeto da Terra, mas existem algumas discrepâncias não resolvidas que são provavelmente devido à presença de poeira espacial e imperfeições nos cálculos.

Coletar mais dados de eventos que geram ondas gravitacionais e luz também pode ajudar a resolver diferentes medições da constante de Hubble - um medidor popular da taxa de expansão do universo.

A taxa de Hubble calibrada com medições de distância de supernovas difere da taxa de Hubble obtida a partir de outras observações cosmológicas, Zumalacárregui observou, portanto, encontrar mais sirenes padrão, como fusões de estrelas de nêutrons, poderia melhorar as medições de distância.

O evento de fusão da estrela de nêutrons em agosto apresentou uma oportunidade inesperada, mas muito bem-vinda, ele disse.

"As ondas gravitacionais são uma confirmação ou refutação muito independente das medições da escada de distância, "disse ele." Estou muito animado para os próximos anos. Pelo menos alguns desses modelos de energia escura não padronizados poderiam explicar essa discrepância da taxa de Hubble.

"Talvez tenhamos subestimado alguns eventos, ou algo não foi contabilizado que precisaremos revisar a cosmologia padrão do universo, "ele acrescentou." Se este padrão for válido, precisaremos de ideias teóricas radicalmente novas que são difíceis de verificar experimentalmente, como múltiplos universos - o multiverso. Contudo, se este padrão falhar, teremos mais caminhos experimentais para testar essas idéias. "

Novos instrumentos e pesquisas do céu estão chegando online que também visam melhorar nossa compreensão da energia escura, incluindo o projeto de Instrumento Espectroscópico de Energia Escura liderado pelo Laboratório de Berkeley, que está programado para começar a operar em 2019. E cientistas que estudam outros fenômenos, como ilusões de ótica no espaço causadas por lentes gravitacionais - um efeito induzido pela gravidade que faz com que a luz de objetos distantes se curve e distorça em torno de objetos mais próximos - também serão úteis para fazer medições mais precisas.

"Isso pode mudar a maneira como pensamos sobre nosso universo e nosso lugar nele, "Zumalacárregui disse." Vai exigir novas idéias. "