Medindo BAO com ondas gravitacionais

Título: Detecting Baryon Acoustic Oscillations with third generation gravitational wave observatories

Autores: Sumit Kumar, Aditya Vijaykumar, Alexander H. Nitz

Instituição do primeiro autor: Max-Planck-Institut fur Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut), Alemanha.

Status: preprint [acesso aberto no arXiv]

Oscilações Acústicas de Bárions (BAO)

As Oscilações Acústicas de Bárions (BAO, do inglês Baryon Acoustic Oscillations) são sinais de ondas sonorais de quando o universo era dominado por matéria. Quando o redshift era maior que 1089, o universo estava muito quente para que fosse possível formar átomos, então o gás primordial era formado de um plasma ionizado. Elétrons livres no plasma interagiam com fótons por espalhamento de Thomson; isso deixava que bárions, elétrons, e fótons estivessem acoplados em um fluido perfeito.

Nesse fluido, havia competição entre atração gravitacional de bárions e pressão de radiação dos fótons oscilando e funcionando como ondas sonoras do fluido. Mais tarde, com z ~1089, o universo esfriou o suficiente para formar átomos, isso desfez o acoplamento e os fótons passaram a ser livres e formaram o que chamamos de radiação cósmica de fundo (CMB, do inglês Cosmic Microwave Background). Já os bárions caíram no poço de potencial da matéria escura, que mais tarde ajudou a formar as estruturas de grande escala, e o resquício de oscilação ficou congelado em uma escala de ~150 Mpc que chamamos de BAO.

BAO pode ser medido usando distribuições de galáxias como um pico na função de correlação de dois pontos, ou como oscilações no espectro de potência de matéria. As principais medidas até hoje são do survey de galáxias do Sloan Digital Sky Server (SDSS), cujas medidas mais recentes são do SDSS-IV extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS).

Os autores do artigo propuseram utilizar ondas gravitacionais resultantes da fusão de estrelas de nêutrons binárias (Binary Neutron Star, BNS) e de buracos negros binários (Binary Black Hole, BBH) para detectar BAO. A possibilidade de obter essas medidas traría mais evidências da teoria, poderia ajudar a diminuir a tensão da constante de Hubble (H0, que explicamos aqui), além de ser uma forma de observar o fenômeno sem precisar de medidas do espectro eletromagnético.

3G

Para tal objetivo os autores se basearam em futuras possíveis detecções de ondas gravitacionais por uma terceira geração de detectores (3G) como o Cosmics Explorer (CE) e o Einstein Telescope (ET). O CE promete ter melhor sensibilidade aos mergers e o ET será capaz de observar frequências menores em torno de 2 Hz.

Para estimar a possível detecção, os autores consideraram duas configurações de observatórios detectores. A primeira delas possui dois detectores do tipo CE e um ET, a outra configuração também com dois CE e um ET, sendo que o CE teria melhor resolução.

Figura 1: simulação de eventos BNS em coordenadas galácticas detectados por um rede 3G.

BNS em galáxias hospedeiras

Em simulações, os pesquisadores geraram um catálago de muitas galáxias onde algumas eram selecionadas aleatoriamente para conter eventos de BNS, como mostra a Figura 1. Depois de selecionar o formato dos dados, para obter a medida foram utilizados em torno de 10000 BNS que suspostamente seriam detectados em um intervalo de 7 a 10 anos para redshift menor ou igual a 0.3.

Com os catálogos, eles puderam extrair o BAO usando a função de correlação angular de dois pontos com o código CORRFUNC escolhendo uma casca esférica de 150 Mpc/h. Depois repetiram o procedimento selecionando aleatoriamente os BNS que estavam nessa casca, da mesma forma que funcionaria com os dados reais.

Figura 2: Recuperação da função de correlação angular de dois pontos é mostrado aqui para uma realização no redshift de z = 0.3. Ajuste aos dados com BAO (em vermelho), sem BAO (verde tracejado). O valor de entrada para BAO para z = 0.3 é 6,9 graus.

O resultado encontrado está na Figura 2, em que os autores compararam a função de correlação encontrada (em azul) com modelos ajustados sem o BAO (verde tracejado) e com o BAO (laranja). A medida foi feita com redshift 0.3 e é evidente a localização da escala em 6.9°.

Apesar de a amostra ser bem menor que a quantidade de galáxias dos surveys tradicionais, esta seria uma nova forma de observar BAO independente de observações eletromagnéticas. Além disso, seria mais uma aliada na estimativa de parâmetros cosmológicos, principalmente para diminuir a crise do H0, já que a seria obtido a partir do horizonte sonoro para redshifts menores.

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