Usando o Gaia como um detector de ondas gravitacionais

Título: An astrometric search method for individually resolvable gravitational wave sources with Gaia

Autores: Christopher J. Moore, Deyan P. Mihaylov, Anthony Lasenby, Gerard Gilmore

Instituição do primeiro autor: Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, Centre for Mathematical Sciences, University of Cambridge, Reino Unido

Status: Publicado na Physical Review Letters [acesso livre no arXiv]

A corrida para detectar cada vez mais ondas gravitacionais

Ondas gravitacionais (OGs) são perturbações no espaço-tempo produzidas por qualquer objeto massivo movendo-se assimetricamente. Contudo, apenas os objetos mais massivos e “relativísticos” produzem sinais de OGs fortes o suficientes para serem detectáveis (apesar de ainda serem super pequenos). Os detectores LIGO e Virgo estão utilizando interferometria a laser para detectar estas pequenas ondulações no tecido do espaço-tempo. Eles já detectaram dezenas de OGs de sistemas binários de buracos negros e estrelas de nêutrons. Outro método de detecção de OG consiste numa rede temporal de pulsares (RTP) (em inglês, pulsing timing array), em que dezenas de pulsares de milisegundos são monitorados a fim de procurar assinaturas de OGs na faixa dos nanohertz, ou seja, ondas com frequências muito mais baixas do que aquelas observadas pelo LIGO e Virgo.

Outra forma de detectar OGs é por meio de astrometria, ou seja, medindo as posições aparentes das estrelas. Este método foi apresentado pela primeira vez em 1990, e hoje está se tornando mais e mais relevante por causa da missão espacial Gaia, que faz observações astrométricas com precisão sem precedentes. O astroponto de hoje descreve como podemos detectar OGs de sistemas binários de buracos negros supermassivos usando dados do Gaia.

Estrelas sacudidas por OGs

Como a astromeria pode nos ajudar exatamente com OGs? Imagine que, há muito tempo atrás, em uma galáxia muito muito distante, dois buracos negros supermassivos estavam orbitando ao redor do outro, emitindo OGs. Aquelas OGs estão nos alcançando hoje, passando através da Via Láctea! Elas modulam o espaço-tempo através da galáxia, assim afetando como a luz (ou fótons) se propagam. Assim, a OG modifica o tempo que o fóton leva para percorrer a distância entre objetos, o que é utilizado por RTPs para detectar OGs. Mas não é esse o único efeito que OGs possuem! Elas também afetam a propagação da luz (similarmente a lentes gravitacionais ao redor de um objeto massivo), causando uma mudança aparente na posição do objeto no céu com relação ao tempo (veja figura 1). O artigo de hoje se concentra na deflexão da luz através de OGs.


Figura 1. Resposta astromética para uma OG vinda de uma localização celeste marcada com um ponto preto nocentro. Linhas pretas e vermelhas indicam o movimento das estrelas para polarização da OG mais (+) e cruzada (x), respectivamente. Note que o efeito astrométrico de uma OG é mais forte perpendicularmente a direção de sua propagação. Note que a amplitude da OG está irrealisticamente grande aqui a fim de tornar o efeito mais visível. Adaptada da Figura 1 do artigo.

Afortunadamente, o Gaia mede a posição de mais de um bilhão de estrelas com excelente precisão. Contudo, isto é tanto uma bênção como uma maldição. É fato que ter mais dados ajuda na sensibilidade das análises, porém, faz com que a análise estatística do conjunto de dados inteiro seja computacionalmente inviável. Para superar este problema, os autores introduziram um método inteligente que comprime os dados por um fator de um milhão, ao passo que reduz a sua sensibilidade em apenas 1%. Basicamente eles estão particionando o céu usando células de Voronoi, calculando a média dos dados das estrelas em cada célula, resultando assim em uma “estrela virtual” para cada célula.

Sensibilidade

A fim de estimar a sensibilidade do Gaia para detectar OGs, os autores criaram dados simulados que incluem sinal de OGs de diferentes amplitudes e frequências. Ao analisar estes dados, eles puderem determinar a menor amplitude necessária para detectar o sinal em cada frequência. Eles encontraram que a sensibilidade dos dados do Gaia é comparável com os de RTPs, e podendo até complementá-los em frequências mais altas. Eles também examinaram como a posição celeste da fonte afeta a sensibilidade (Figura 2). Eles encontraram que as regiões mais sensíveis estão ao redor dos polos galácticos, enquanto as menos sensíveis estão apontando em direção ao centro galáctico. Isso é esperado pela distribuição de estrelas observadas pelo Gaia, e o fato que a resposta das OGs é mais forte na direção perpendicular aquela da propagação da OG. Isto é o oposto do que obtemos com RTPs, onde a sensibilidade é melhor na direção do centro galáctico. Isto significa que o Gaia pode complementar RTPs não apenas em frequências altas, mas também em latitudes galácticas mais elevadas. Este resultado é também empolgante se pensarmos em termos de astronomia multi-mensageira, uma vez que a detecção de OG distante do plano galático seria mais provável de permitir uma observação bem sucedida de sua contraparte eletromagnética.

Figura 2. Sensibilidade dos dados do Gaia através do céu normalizada pela região celeste mais sensível (cores mais vermelhas indicam menos sensibilidade). Adaptada da figura 5 no artigo.

O Gaia foi construído para ajudar nossa compreensão da Via Láctea, mas parece que ele também pode nos ajudar a conhecer mais sobre buracos negros binários supermassivos em galáxias distantes ao detectar suas OGs. Isto seria de fato um uso alternativo magnífico, fornecendo mais um motivo (e um ótimo motivo, aliás) para aguardarmos futuros lançamentos de dados do Gaia.


Adaptado de Using Gaia as a Gravitational-Wave Detector, escrito por Bence Bécsy.

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