Distâncias no escuro: Usando buracos negros binários para estudar a taxa de expansão do Universo

Título: Distances in the Dark: Using Binary Black Holes to Study the Universe’s Expansion

Autores: Marcelle Soares-Santos, Antonella Palmese, et al. (DES, LIGO, and Virgo collaborations)

Instituição do primeiro autor: Brandeis University (M. S.-S.), Fermi National Accelerator Laboratory (A. P.)

Status: Aceito no Astrophysical Journal Letters, access livro no ArXiv

Quase todas as galáxias que observamos no céu noturno estão se distanciando de nós. Apenas a galáxia de Andrômeda se move em nossa direção – estamos presos numa dança gravitacional que vai resultar em uma colisão daqui a aproximadamente 4.6 bilhões de anos. As outras galáxias, por sua vez, estão se afastando devido a expansão do Universo. Mas o quão rápido é esse afastamento? Esta é uma pergunta difícil de responder, na verdade, em parte porque é difícil medir distâncias acuradamente através do Universo. O artigo de hoje apresenta um novo método para medir a taxa de expansão do Universo por meio de sinais de ondas gravitacionais (OG) vindos de colisões de buracos negros binários.

Os sons do Universo

Figura 1: Nosso conhecimento atual sobre os estados finais de estrelas massivas, ou seja, buracos negros e estrelas de nêutrons. Como sinais de OGs são precisamente relacionados às propriedades do sistema, podemos determinar as massas do objeto inicial antes da fusão, além da massa do objeto final uma vez que esta fusão é concluída. Créditos: LIGO-Virgo/Frank Elavsky/Northwestern U.

Ondas gravitacionais (gravitational waves, em inglês) são ondas do próprio espaço-tempo, análogas a ondas sonoras propagando-se pelo ar. As ondas gravitacionais que somos capazes de detectar atualmente são produzidas em colisões violentas entre objetos compactos tais como estrelas de nêutrons, ou buracos negros. As colaborações LIGO e Virgo detectaram 11 destas colisões, dez das quais foram colisões entre dois buracos negros (veja a Figura 1). A frequência e a amplitude destas OGs, ou o tom e volume deste “som”, carregam informação sobre a massa destes sistemas, bem como o quão longe eles se encontram. A forma como o sinal evolui nos diz tudo que precisamos saber sobre o “brilho” gravitacional, ou a luminosidade do evento. Ao comparar a amplitude medida com a calculada, obtemos a distância precisa até a fonte. Por esta razão, as fontes de sinais de OGs ganharam o nome de “sirenes padrão”.

Ok. Mas o que isto tem a ver com a medida da taxa de expansão do Universo? A Lei de Hubble nos diz que a velocidade v em que um objeto em redshift (desvio para o vermelho) z distancia-se de nós depende de quão longe ele se encontra: v(z) = H0*d, onde H0 = taxa de expasão do Universo. Medidas anteriores deste parâmetro, chamado de Constante de Hubble, utilizaram a radiação eletromagnética (EM) da Radiação Cósmica de Fundo (RCF) ou Supernovas do tipo Ia (SN). Estas medidas estão em conflito, sugerindo que possa existir alguma peça ausente no quebra-cabeça que forma o modelo cosmológico padrão. Como dito antes, medir distâncias cosmológicas é uma tarefa difícil. Medidas de RCF e SN dependem da escala de distâncias cósmicas, então erros obtidos em uma destas medidas propagam-se para a outra.

Por outro lado, sirenes padrão com homólogos EM não dependem da escala de distâncias cósmicas, logo fornecem uma medida independente do H0. Neste caso, o sinal EM nos diz sobre a galáxia hospedeira, a qual nos dá o redshift do sinal e, portanto, sua velocidade, enquanto o sinal de OG nos fornece a distância precisa até ele. Uma medida deste tipo já foi realizada usando a fusão de estrelas de nêutrons binárias GW170817. Porém, precisamos muito mais do que um único evento desses para determinar H0 precisamente. Dez dos 11 eventos observados pelo LIGO/Virgo não tiveram sinais EM relacionados a eles. O artigo de hoje nos mostra que há,contudo, uma outra maneira de calcular H0 a partir destes eventos!

Ouvindo o escuro

Os autores do artigo de hoje reportam a primeira medida de H0 utilizando a sirene “escura” GW170814, um sinal de OG de dois buracos negros em colisão sem homólogo EM. Lembrem-se da Lei de Hubble que precisamos de uma medida de distância e de redshift para obter H0 – mas a fim de determinar o redshift, precisamos saber em qual galáxia a fonte localiza-se. Isto é difícil de determinar sem o homólogo EM. Os mapas de probabilidade produzidos pelo LIGO/Virgo para a localização celeste do sinal de OG abrange uma grande área do céu que contém dezenas de milhares de galáxias em vários redshifts diferentes!

Entretanto, a GW170814 encontra-se no meio da cobertura do Dark Energy Survey (DES, veja Figura 2). O DES nos forneceu um excelente mapeamento de galáxias em um quarto do hemisfério sul do céu, cujos redshifts foram calculados do espectro dos cinco filtros de comprimentos de onda do seu instrumento. Os autores do artigo desenvolveram uma análise estatística para selecionar potenciais galáxias hospedeiras para o sinal de OG nos mapas de galáxias do DES por meio dos mapas do LIGO/Virgo, e assim estimaram o valor de H0

Figura 2: A região do LIGO/Virgo de maior probabilidade do evento GW170814 ter ocorrido, sobreposto pela área de cobertura do DES. Créditos: Dark Energy Survey Collaboration

Depois de analisarem 77 000 galáxias, os autores estimaram H0 em 75.2 +(-) 39.5(32.4) km s-1 Mpc-1. A Figura 3 mostra como este valor se compara com medidas anteriores obtidas com RCF e SN. Ainda que a incerteza desta medida seja bem grande usando apenas um evento de OG, os autores estimaram que as incertezas compatíveis com as obtidas por RCF e SN serão possíveis com 100 eventos. Aprimoramentos dos detectores do LIGO foram completados recentemente, e o terceiro escaneamento do observatório foi iniciado no dia primeiro de abril (não, isto não foi uma piada). Podem encontrar, potencialmente, uma sirene “escura” toda semana, de modo que, talvez, não seja necessário esperar dois anos para medir H0 com alta precisão usando eventos de OG.

Figura 3: Comparação dos valores de H0 calculados da RCF (Planck, azul escuro), das SN (azul claro), do evento de OG do sistema binário de estrela de nêutrons (GW170817, cinza), e da sirene “escura” (DES GW170814, vermelho). Com ~100 eventos de OG, nos aproximamos da sensibilidade das medidas tradicionais, fornecendo assim uma medida independente de H0. Figura 3 do artigo

Um novo método para medir H0 é um grande negócio para potencialmente resolver a tensão entre as medidas de RCF e SN. Se os métodos das sirenes padrões e sirenes escuras, que sondam o Universo tardio, fornecem valores consistentes com aquele obtido da RCF, cujo sinal vem do Universo mais primordial, isto implica que há algo de errado com a escala de distâncias cósmicas e medidas de SN mais tardias. Por outro lado, se as medidas do H0 via sinais de OGs são consistentes com o resultado obtido com SNs, precisamos então reformular a física por trás do modelo cosmológico padrão para obter uma melhor compreensão do Universo a fim de explicar por que H0 evolui com o tempo. De toda forma, os próximos anos prometem ser um período muito animador para a Cosmologia de precisão!


Original em inglês: Distances in the Dark: Using Binary Black Holes to Study the Universe’s Expansion, por Stephanie Hamilton.

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