O Observatório Nanohertz para Ondas Gravitacionais da América do Norte (NANOGrav) é um detector de ondas gravitacionais que monitora áreas nas proximidades da Terra usando uma rede de pulsares (ou seja, estrelas semelhantes a um relógio). No final de 2020, a colaboração NANOGrav reuniu evidências de flutuações nos dados de tempo de 45 pulsares, que poderia ser compatível com um sinal de fundo de onda gravitacional estocástica (SGWB) em frequências de nanohertz.

Essas ondas gravitacionais podem estar potencialmente ligadas à fusão de buracos negros extremamente massivos. Equipes de físicos teóricos em todo o mundo, Contudo, forneceram explicações alternativas para as ondas gravitacionais observadas pelo NANOGrav. Alguns grupos sugeriram que eles poderiam ter sido produzidos por filamentos superdensos conhecidos como cordas cósmicas, enquanto outros levantaram a hipótese de que eles poderiam ter sido gerados durante o nascimento de buracos negros primordiais.

Uma interpretação de string cósmica dos dados do NANOGrav

John Ellis e Marek Lewicki, dois pesquisadores do King's College London e da Universidade de Varsóvia, recentemente ofereceu uma interpretação teórica das cordas cósmicas dos novos dados do NANOGrav. Eles mostraram que o sinal SGWB que o NANOGrav pode ter observado poderia ser produzido por uma rede de cordas cósmicas nascidas no início do universo. Os pesquisadores teorizaram que esta rede iria evoluir à medida que o universo se expande, produzindo loops fechados quando as cordas colidem. Esses loops então decairiam lentamente em ondas gravitacionais, resultando no sinal detectado pelo NANOGrav.

"Mostramos que as cordas cósmicas fornecem um ajuste muito bom para o sinal do NANOGrav, ligeiramente melhor do que a possível fonte alternativa de binários supermassivos de buracos negros, "Ellis e Lewicki disseram." Além disso, mostramos que nossa hipótese será simples de testar em futuros observatórios de ondas gravitacionais, como o LISA. "

"Nossa pesquisa é baseada em anos de trabalho de muitos grupos que possibilitaram cálculos precisos do sinal da onda gravitacional produzida por cordas cósmicas, "Ellis e Lewicki disseram ao Phys.org." Entramos em ação assim que soubemos dos novos dados promissores da colaboração da NANOGrav, para verificar o quão bom candidato seria uma rede de cordas cósmicas para explicar os dados. "

O artigo de Ellis e Lewicki aponta que a história da expansão do universo também está codificada no sinal. Isso ocorre porque a rede de cordas cósmicas que eles descrevem emitiria um sinal ao longo da história do universo e todos os recursos na expansão do universo deixariam uma impressão correspondente no espectro do sinal que poderia então ser sondado por detectores futuros.

"Graças à força do sinal necessária para explicar os dados do NANOGrav, isso permitiria que a história do universo fosse investigada em tempos muito mais antigos do que se pensava, garantindo um estudo mais aprofundado, "Ellis e Lewicki disseram." Atualmente estamos trabalhando para AION e AEDGE, que são novos experimentos propostos que poderiam no futuro sondar uma parte diferente da história do universo do que NANOGrav ou LISA, e potencialmente testar nossa interpretação dos dados do NANOGrav. "

O sinal NANOGrav como a primeira evidência de cordas cósmicas

Paralelamente ao trabalho de Ellis e Lewicki, pesquisadores do Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) e do CERN também tentaram demonstrar teoricamente que as ondas gravitacionais de cordas cósmicas são uma explicação bem motivada e perfeitamente viável para o sinal de temporização do pulsar detectado pelo NANOGrav. Seu papel, publicado em Cartas de revisão física , baseia-se em uma série de estudos anteriores no campo da astronomia de ondas gravitacionais.

"Desde a descoberta inovadora de ondas gravitacionais pelo LIGO em 2015, o campo da astronomia de ondas gravitacionais continuou a progredir em um ritmo impressionante, "Kai Schmitz do CERN, um dos autores do artigo, disse a Phys.org. "Até agora, todos os sinais observados foram causados ​​por eventos astrofísicos, como a fusão de buracos negros binários. Esses eventos são chamados de 'transitórios' e apenas levam a sinais de curta duração em detectores de ondas gravitacionais. O próximo grande passo na astronomia de ondas gravitacionais será, portanto, a detecção de um "fundo" estocástico de ondas gravitacionais, um sinal que está constantemente presente, alcançando-nos de todas as direções no espaço. "

A detecção de sinais gravitacionais de 'fundo' pode estar associada a uma variedade mais ampla de fenômenos astrofísicos e cosmológicos, variando de fusões binárias a eventos que ocorreram no início do universo. Notavelmente, tal sinal SGWB também poderia ser o equivalente de onda gravitacional do sinal cósmico de fundo de micro-ondas (CMB), que é essencialmente o brilho residual do Big Bang na radiação eletromagnética e nas frequências de micro-ondas.

"Como físicos de partículas, estamos particularmente interessados ​​nas contribuições primordiais para o SGWB, que prometem codificar uma riqueza de informações sobre a dinâmica do universo inicial e, portanto, a física de partículas nas energias mais altas, "Schmitz disse." Possíveis fontes de ondas gravitacionais primordiais podem ser a inflação cósmica, transições de fase na estrutura de vácuo do universo primitivo e cordas cósmicas. Em nossos projetos anteriores, já havíamos explorado todas essas três possibilidades. "

Em seu estudo recente, Schmitz e seus colegas do MPIK Simone Blasi e Vedran Brdar levantaram a hipótese de que os dados de tempo do pulsar coletados pelo NANOGrav podem ser a primeira evidência de cordas cósmicas. Teoriza-se que as cordas cósmicas sejam os restos das transições de fase em energias extremamente altas, possivelmente perto da escala de energia da grande unificação (ou seja, as energias nas quais todas as forças subatômicas da natureza devem se unificar em uma força comum).

"Nesse caso, a transição de fase que dá origem a cordas cósmicas é improvável que leve a um sinal observável nas próprias ondas gravitacionais, seja porque ele simplesmente não produz nenhum sinal apreciável ou porque o sinal está localizado em um nível alto, frequências não observáveis, "Schmitz disse." Cordas cósmicas, Contudo, os restos da transição de fase, têm a chance de produzir um grande sinal em ondas gravitacionais que, se detectado, pode nos falar sobre as simetrias e forças que governaram o universo durante os primeiros momentos de sua existência. "

No passado, os físicos propuseram uma série de modelos teóricos que especulam sobre quais tipos de nova física podem dar origem a uma rede de cordas cósmicas no universo primitivo. Em alguns de seus estudos anteriores, Schmitz, Blasi e Brdar focaram especificamente na ideia de que as cordas cósmicas podem estar relacionadas à origem das massas de neutrinos e à assimetria cósmica entre matéria e antimatéria.

"Esta conexão entre as ondas gravitacionais, cordas cósmicas e o chamado mecanismo de gangorra, a realização mais estudada da geração de massa de neutrinos, foi explorado em vários estudos, tanto por nós quanto por outras equipes, "Schmitz disse." Cordas cósmicas deste tipo são referidas como 'cordas cósmicas B-L, "como eles resultam de uma transição de fase cosmológica que leva à violação da simetria BL (B menos L); onde BL representa a diferença do número de bárions (B) e leptões (L). A simetria de BL desempenha um papel importante na gangorra mecanismo; apenas a "quebra" desta simetria no universo primitivo abre o caminho para um estado físico do universo em que os neutrinos podem adquirir massa através do mecanismo de gangorra. "

Schmitz e seus colegas já teorizaram sobre ondas gravitacionais que poderiam surgir de cordas B-L cósmicas em um artigo publicado em 2020. Neste trabalho anterior, eles focaram especificamente no espectro de ondas gravitacionais em frequências mais altas, explorar a possibilidade de sondar cantos especiais do espaço de parâmetros que são relevantes da perspectiva do mecanismo de gangorra.

"Quando ouvimos falar pela primeira vez sobre o novo resultado do NANOGrav, estávamos totalmente preparados para comparar nossas previsões para um sinal de onda gravitacional induzida por cordas cósmicas com o sinal nos dados do NANOGrav, "Schmitz disse." Assim, imediatamente começamos a calcular o espectro de ondas gravitacionais de cordas cósmicas na faixa de frequência nanohertz. Ao contrário de nossa análise em abril de 2020, não nos concentramos mais em cordas B-L cósmicas, mas consideradas cordas cósmicas em um sentido mais geral, permanecendo agnóstico sobre os detalhes de sua origem em energias muito altas. "

Em seu estudo recente, Schmitz, Blasi e Brdar queriam mostrar que o sinal observado pelo NANOGrav poderia refletir as ondas gravitacionais produzidas por cordas cósmicas. Além disso, eles tentaram mapear toda a região viável no espaço de parâmetros das cordas cósmicas que permitiria ajustar os dados.

"Atualmente, é importante permanecer cauteloso, já que ainda não está claro se o NANOGrav realmente detectou um fundo de ondas gravitacionais, "Schmitz disse." Para este fim, é necessário primeiro detectar um padrão de correlação específico entre os resíduos de temporização de pulsares individuais. Esse padrão pode ser representado como um gráfico que mostra a correlação entre pares de pulsares como uma função do ângulo que separa dois pulsares no céu; este gráfico é a famosa curva de Hellings-Downs. "

Para confirmar que o sinal detectado pelo NANOGrav deriva de ondas gravitacionais, os físicos precisariam primeiro mostrar que ela está de acordo com a curva de Hellings-Downs. Embora os dados pareçam estar bastante alinhados com esta interpretação, os pesquisadores ainda precisam reunir evidências suficientes do padrão Helling-Downs emergente nos dados. Estudos em andamento e futuros, Contudo, poderia, em última análise, determinar a validade do sinal de temporização do pulsar NANOGrav e medir algumas de suas propriedades com melhor precisão. Medir as propriedades do sinal NANOGrav (por exemplo, se sobe / desce em função da frequência e, se então, a rapidez com que sobe / desce) pode ajudar a determinar as suas possíveis origens.

"Tudo o que podemos dizer é que, Atualmente, ondas gravitacionais de cordas cósmicas são uma explicação perfeitamente viável do sinal, "Schmitz disse." Cordas cósmicas resultam na amplitude A certa do sinal; eles resultam em um índice espectral gama que é perfeitamente consistente com os limites do NANOGrav neste parâmetro; e os valores gama previstos são ainda ligeiramente (mas apenas um pouco) melhores de acordo com os dados do que o valor gama =13/3 previsto por buracos negros supermassivos binários. "

Geral, o estudo realizado por Schmitz, Blasi e Brdar teoricamente demonstram que as cordas cósmicas podem ser uma explicação viável para o sinal NANOGrav. Além disso, os pesquisadores mostraram que a interpretação das cordas cósmicas funciona para uma grande variedade de dois parâmetros das cordas cósmicas que eles focaram em seu trabalho:a tensão das cordas cósmicas Gmu e o tamanho do laço das cordas cósmicas alfa.

"Isso torna a interpretação das cordas cósmicas flexível e abre muitas possibilidades em relação à possível origem das cordas cósmicas, "Schmitz explicou." Grandes loops com uma pequena tensão podem explicar o sinal, loops menores com uma tensão um pouco maior podem explicar o sinal, etc. "

Além de demonstrar teoricamente que o sinal NANOGrav pode refletir cordas cósmicas, os pesquisadores mostraram que futuros experimentos de ondas gravitacionais em frequências mais altas sondarão um grande espaço de parâmetros viável. Esta descoberta sugere que as ondas gravitacionais de cordas cósmicas podem ser uma referência ideal para a astronomia de ondas gravitacionais multifrequenciais.

"Ao contrário de muitas outras explicações do sinal NANOGrav, prevemos que as cordas cósmicas também levarão a um sinal que será observado em experimentos baseados no espaço e em experimentos terrestres de próxima geração, "Schmitz disse." Este aspecto de nossa interpretação destaca a complementaridade dessas medições em baixas e altas frequências. Uma detecção positiva em altas frequências permitirá, especialmente, reconstruir a história de expansão do universo primitivo. "

O parâmetro Gmu, caracterizando a tensão das cordas cósmicas, ou energia por unidade de comprimento, pode ser traduzido em uma estimativa da escala de energia em que as cordas cósmicas supostamente se formaram no início do universo. Os valores Gmu que Schmitz e seus colegas encontraram em sua análise apontam para uma escala de energia na faixa de 10 ¹⁴ a 10 ¹⁶ GeV.

"Estes são valores típicos que também encontramos nas grandes teorias unificadas (GUTs) que descrevem a unificação das forças subatômicas em energias muito altas, "Schmitz explicou.

"Nossos resultados são, portanto, consistentes com a ideia de grande unificação e a quebra de certas simetrias no universo primordial que resultam na criação de uma rede de cordas cósmicas."

Embora as análises teóricas realizadas por esta equipe de pesquisadores sejam muito perspicazes, é importante notar que os modelos do sinal de onda gravitacional que seriam produzidos a partir de cordas cósmicas estão associados a algumas incertezas teóricas. Por exemplo, duas das abordagens mais amplamente utilizadas para estudar a dinâmica das cordas cósmicas em simulações de computador em grande escala, nomeadamente as abordagens "cordas Nambu-Goto" e "cordas Abelian Higgs", nem sempre levam aos mesmos resultados.

“No nosso trabalho, fazemos uso de simulações de strings Nambu-Goto, "Schmitz acrescentou." No longo prazo, seria interessante resolver a discrepância entre essas duas abordagens, que, Contudo, é uma tarefa muito desafiadora. Enquanto isso, portanto, planejamos prosseguir em etapas menores e melhorar sucessivamente a descrição Nambu-Goto das cordas cósmicas. "

Na aproximação Nambu-Goto, cordas cósmicas são mais ou menos sem características, já que são descritos como objetos unidimensionais que carregam uma certa quantidade de energia por unidade de comprimento.

Esta representação pode não refletir realmente as propriedades das cordas cósmicas em cenários reais.

"Cordas cósmicas podem realmente carregar uma corrente elétrica, eles podem perder energia por meio da emissão de partículas elementares, além da emissão de ondas gravitacionais, etc, "Schmitz disse." Em nossos próximos estudos, portanto, planejamos dar conta desses refinamentos passo a passo e investigar como esses aspectos mais sofisticados podem se manifestar no espectro das ondas gravitacionais. Ao mesmo tempo, não acreditamos que esses refinamentos irão derrubar nossa interpretação das cordas cósmicas do sinal do NANOGrav. "

Os dados NANOGrav como uma indicação de buracos negros primordiais

Alguns pesquisadores também apresentaram explicações para os dados do NANOGrav que não visualizam o sinal no contexto de cordas cósmicas. Por exemplo, uma equipe da Université de Genève sugeriu que tal sinal SGWB também poderia ser gerado pela formação de buracos negros primordiais das perturbações geradas conforme o universo se expandia.

"Fornecemos uma possível interpretação do sinal de espectro comum, como induzida por ondas gravitacionais geradas no início do universo em conexão com o nascimento de buracos negros primordiais, que são buracos negros formados nas primeiras épocas durante a evolução do universo, "Antonio Riotto, Valerio De Luca e Gabriele Franciolini, os três pesquisadores que realizaram o estudo, disse ao Phys.org por e-mail. "Buracos negros primordiais com massas não muito longe da massa típica dos asteróides podem compreender a totalidade da matéria escura do universo e, seu processo de formação deixa para trás um pano de fundo estocástico de ondas gravitacionais que explicam os dados do NanoGrav. "

De acordo com a Riotto, De Luca e Franciolini, a ideia de que toda a matéria escura do universo é feita de buracos negros primordiais e o fato de que sua formação deve deixar para trás um sinal SGWB semelhante ao detectado pelo NANOGrav pode parecer não relacionado, ainda assim, eles podem ser conectados de maneiras interessantes. Por exemplo, se os buracos negros primordiais constituíam toda a matéria escura do universo, não seria necessário apresentar explicações especulativas para descrever ou explicar a existência de matéria escura, como seria realmente composto de matéria 'comum', com os quais os físicos já estão familiarizados.

"De fato, se a matéria escura é feita de buracos negros primordiais, não seria necessário invocar algumas explicações especulativas para explicar a matéria escura:os buracos negros primordiais são, na verdade, feito da mesma matéria comum que conhecemos, "Os pesquisadores explicaram." Nosso estudo fornece uma explicação econômica do sinal detectado pela colaboração NANOGrav com uma conexão elegante com a busca da matéria escura, que poderia ser investigado com a ajuda de futuros experimentos de ondas gravitacionais como LISA, um interferômetro espacial. "

O sinal de fundo da onda gravitacional que De Luca, Franciolini e Riotto predisseram que seriam produzidos por buracos negros primordiais logo poderiam ser sondados em outras faixas de frequência (por exemplo, em torno das frequências de miliHertz). Em seus próximos estudos, os pesquisadores, portanto, planejam buscar evidências da existência de buracos negros primordiais gerados no início do universo, analisando novos dados de ondas gravitacionais em outras frequências.

"Em particular, desejamos fazer previsões para a quantidade de ondas gravitacionais que serão detectadas em experimentos futuros, como LISA ou o Telescópio Einstein Europeu, um detector subterrâneo, irá detectar, "disseram os pesquisadores.

No futuro próximo, a colaboração NANOGrav tentará confirmar a validade do sinal detectado. Enquanto isso, físicos teóricos em todo o mundo ainda estão trabalhando em numerosas teorias interessantes que poderiam explicar a natureza desse sinal. Os artigos publicados por essas equipes no Max-Planck-Institut für Kernphysik, CERN, King's College London, the University of Warsaw and the Université de Genève offer particularly noteworthy interpretations that could be confirmed or refuted by future studies.

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