O estudo das violentas colisões de buracos negros e estrelas de nêutrons pode em breve fornecer uma nova medição da taxa de expansão do Universo, ajudando a resolver uma disputa de longa data, sugere um novo estudo de simulação liderado por pesquisadores da UCL (University College London).

Nossas duas melhores formas atuais de estimar a taxa de expansão do Universo - medindo o brilho e a velocidade de estrelas pulsantes e explodindo, e olhando para as flutuações na radiação do Universo inicial - dê respostas muito diferentes, sugerir que nossa teoria do Universo pode estar errada.

Um terceiro tipo de medição, olhando para as explosões de luz e ondulações no tecido do espaço causadas por colisões entre buracos negros e estrelas de nêutrons, deve ajudar a resolver essa discordância e esclarecer se nossa teoria do Universo precisa ser reescrita.

O novo estudo, publicado em Cartas de revisão física , simulado 25, 000 cenários de buracos negros e estrelas de nêutrons colidindo, com o objetivo de ver quantos provavelmente seriam detectados por instrumentos na Terra entre meados e final da década de 2020.

Os pesquisadores descobriram que, em 2030, instrumentos na Terra podem sentir ondulações no espaço-tempo causadas por até 3, 000 dessas colisões, e que para cerca de 100 desses eventos, telescópios também veriam explosões de luz.

Eles concluíram que esses dados seriam suficientes para fornecer um novo, medição completamente independente da taxa de expansão do Universo, preciso e confiável o suficiente para confirmar ou negar a necessidade de uma nova física.

O autor principal, Dr. Stephen Feeney (UCL Physics &Astronomy) disse:"Uma estrela de nêutrons é uma estrela morta, criado quando uma estrela muito grande explode e depois entra em colapso, e é incrivelmente denso - normalmente com 10 milhas de diâmetro, mas com uma massa duas vezes maior que a do nosso sol. Sua colisão com um buraco negro é um evento cataclísmico, causando ondulações de espaço-tempo, conhecidas como ondas gravitacionais, que agora podemos detectar na Terra com observatórios como LIGO e Virgo.

“Ainda não detectamos a luz dessas colisões. Mas os avanços na sensibilidade dos equipamentos que detectam ondas gravitacionais, junto com novos detectores na Índia e no Japão, levará a um grande salto em termos de quantos desses tipos de eventos podemos detectar. É incrivelmente emocionante e deve abrir uma nova era para a astrofísica. "

Para calcular a taxa de expansão do Universo, conhecida como constante de Hubble, os astrofísicos precisam saber a distância dos objetos astronômicos da Terra, bem como a velocidade com que eles estão se afastando. A análise das ondas gravitacionais nos diz a que distância está uma colisão, deixando apenas a velocidade a ser determinada.

Para saber o quão rápido a galáxia que hospeda uma colisão está se afastando, olhamos para o "desvio para o vermelho" da luz, isto é, como o comprimento de onda da luz produzida por uma fonte foi esticado por seu movimento. As explosões de luz que podem acompanhar essas colisões nos ajudariam a localizar a galáxia onde a colisão aconteceu, permitindo aos pesquisadores combinar medidas de distância e medidas de redshift naquela galáxia.

Dr. Feeney disse:"Os modelos de computador desses eventos cataclísmicos estão incompletos e este estudo deve fornecer motivação extra para melhorá-los. Se nossas suposições estiverem corretas, muitas dessas colisões não produzirão explosões que possamos detectar - o buraco negro engolirá a estrela sem deixar vestígios. Mas, em alguns casos, um buraco negro menor pode primeiro rasgar uma estrela de nêutrons antes de engoli-la, potencialmente deixando matéria fora do buraco que emite radiação eletromagnética. "

A co-autora, a professora Hiranya Peiris (UCL Physics &Astronomy and Stockholm University) disse:"A discordância sobre a constante de Hubble é um dos maiores mistérios da cosmologia. Além de nos ajudar a desvendar esse quebra-cabeça, as ondulações do espaço-tempo desses eventos cataclísmicos abrem uma nova janela para o universo. Podemos antecipar muitas descobertas empolgantes na próxima década. "

As ondas gravitacionais são detectadas em dois observatórios nos Estados Unidos (LIGO Labs), um na Itália (Virgo), e um no Japão (KAGRA). Um quinto observatório, LIGO-Índia, agora está em construção.

Nossas duas melhores estimativas atuais da expansão do Universo são de 67 quilômetros por segundo por megaparsec (3,26 milhões de anos-luz) e 74 quilômetros por segundo por megaparsec. O primeiro é derivado da análise da radiação cósmica de fundo, a radiação que sobrou do Big Bang, enquanto o segundo vem da comparação de estrelas em diferentes distâncias da Terra - especificamente as Cefeidas, que tem brilho variável, e estrelas em explosão chamadas supernovas do tipo Ia.

Dr. Feeney explicou:"Como a medição de fundo de microondas precisa de uma teoria completa do Universo para ser feita, mas o método estelar não, a discordância oferece evidências tentadoras de uma nova física além de nossa compreensão atual. Antes de fazermos tais afirmações, Contudo, precisamos da confirmação da discordância de observações completamente independentes - acreditamos que elas podem ser fornecidas por meio de colisões de estrelas de nêutrons e buracos negros. "

O estudo foi realizado por pesquisadores da UCL, Colégio Imperial de Londres, Universidade de Estocolmo e Universidade de Amsterdã. Foi apoiado pela Royal Society, o Conselho de Pesquisa Sueco (VR), a Fundação Knut e Alice Wallenberg, e a Organização Holandesa para Pesquisa Científica (NWO).