Título: Probing The Early Universe Cosmology With NANOGrav: Possibilities and Limitations
Autores: Ido Ben-Dayan, Utkarsh Kumar, Udaykrishna Thattarampilly, Amresh Verma
Instituição do primeiro autor: Physics Department, Ariel University, Israel
Status: Submetido ao arXiv
Nestes últimos meses, uma das maiores notícias na astronomia foi o anúncio da detecção das ondas gravitacionais de fundo (OGF) pelo North American Nanohertz Gravitational Wave Observatory (NANOGrav). Este resultado foi corroborado por vários outros experimentos de pulsar timing array (PTA, ver astroponto acima para uma explicação mais detalhada sobre eles), tais como EPTA, InPTA, CPTA e PPTA. Apesar dos experimentos de PTA concordarem quanto a existência deste sinal de OGF na região dos nanohertz, os astrônomos ainda não sabem exatamente qual a sua origem.
Dentre várias fontes possíveis para este sinal, temos a inflação, que consiste em um período de breve e rápida expansão do espaço-tempo que pode ter ocorrido em menos de um segundo após o Big Bang. A inflação é importante para resolver vários problemas no modelo cosmológico padrão, contudo, ainda não temos evidência direta para este processo e vários modelos alternativos foram propostos para explicar estes problemas. A produção das OGF é uma previsão fundamental da inflação, de forma que a detecção deste sinal seria uma evidência robusta de que ela de fato ocorreu. Logo, astrônomos que trabalham com ondas gravitacionais estão buscando a origem deste sinal das OGF. Até o momento, esta busca tem enfrentado algumas dificuldades. Os autores do artigo de hoje investigam a possibilidade deste sinal ter sido produzido por ondas gravitacionais primordiais.
Não se esqueça de reaquecer!
O artigo de hoje inclui o processo de reaquecimento na análise de um sinal inflacionário (ou seja, primordial) das OGF. A fase de reaquecimento é a transição que conecta o final da inflação com as fases do modelo cosmológico padrão. Logo, a inclusão de um processo de reaquecimento não trivial introduz parâmetros adicionais na análise, que por sua vez afetam o espectro do sinal das OGF. Eles não devem ser ignorados a fim de obter um quadro geral da inflação sob a luz deste resultado.
Os cenários de reaquecimento investigados neste artigo caem em três categorias descritas por diferentes equações de estado. A equação de estado (EDE) pode ser resumida por um número sem dimensões físicas, o qual chamaremos de wre, que representa a razão entre a pressão e a densidade do Universo. O modelo canônico do reaquecimento apresenta wre=0, enquanto reaquecimento instantâneo é descrito por uma EDE tal qual wre=1/3. Uma equação de estado “dura” (i.e. onde a pressão aumenta significativamente com relação a um aumento de densidade, de modo que o fluido torna-se mais rígido e, portanto, mais difícil de ser comprimido) é também considerada.
Os parâmetros importantes para a análise são a equação de estado wre, a temperatura do reaquecimento, a razão tensorial-escalar (r) e o índice espectral (nt). Os dois últimos parâmetros descrevem a dependência das flutuações de densidade do Universo primordial com respeito à sua amplitude e frequência, respectivamente, sendo escolhas usuais para caracterizar o espectro das flutuações ocorridas na inflação, que pode ser responsável pelas OGs primordiais observadas hoje.
Os autores relacionam os parâmetros que descrevem as OGF medida recentemente com os quatro parâmetros que descrevem inflação e reaquecimento. Então, eles utilizam os dados mais recentes do NANOGrav a fim de restringir estes parâmetros primordiais a partir das OGF observadas. A análise sugere uma forte correlação entre a EDE do reaquecimento e o índice espectral do espectro das flutuações primordiais, o que indica a importância de levar o cenário de reaquecimento em consideração na busca dos sinais primordiais de OG.
Para as escalas do LIGO
Esperamos que as OGF de origem primordial possa produzir sinais de OGs em um amplo limiar de frequências. Experimentos de PTA, como o NANOGrav, cobrem apenas a região dos nanohertz, que consiste em uma pequena fração de todo sinal que pode existir. A fim de entender o quadro geral, a análise deve ser estendida para outras frequências. Felizmente, existem já experimentos de OG operando em frequências mais altas. Em particular, experimentos de interferometria de laser, como o LIGO e Virgo, possuem sensibilidade a OGs em uma faixa de frequência de 1 hertz até 10 kilohoertz, de modo a já terem imposto limites superiores sobre a amplitude do sinal das OGF nestas escalas. Porém, um problema ocorre quando um espectro primordial que ajusta os dados do NANOGrav é extrapolado para a região de frequência do LIGO: os limites superiores impostos pelo LIGO são violados! Este resultado poderia, portanto, indicar que o sinal detectado pelo NANOGrav não é de origem inflacionária. Contudo, os autores do artigo de hoje propuseram vários modelos que podem resolver este problema.
Misturando os fundos
O primeiro método que visa resolver esse problema considera uma mistura entre OGF primordiais e astrofísicas. Neste caso, os autores consideram que todo o sinal detectado pelo NANOGrav é a soma de OGs primordiais e astrofísicas, onde estas últimas são produzidas pela colisão de buracos negros supermassivos. Isto significa que a parte primordial pode ser mantida abaixo dos limites impostos pelo LIGO, ao passo que o sinal completo concorda com o NANOGrav.
Dois modelos simples são considerados neste artigo: em um deles, o FOG apresenta a mesma dependência da frequência do fundo primordial, enquanto o outro modelo considera o espectro astrofísico como constante em todas as frequências. Eles levam a cenários onde 16% e 55% da totalidade do sinal pode ser primordial, respectivamente.
Espectro em fuga
Outro método que leva os vínculos do LIGO e NANOGrav em concordância corresponde a uma “corrida” do espectro primordial. No caso mais simples, é assumido que o índice espectral (nt) do espectro de potência primordial é constante em todas as frequências. Contudo, um espectro que apresenta esta “corrida” apresenta uma dependência com relação à frequência. Esta corrida é tipicamente considerada como sendo muito pequena, logo, insignificante. Entretanto, para valores grandes de índice espectral, tais como os obtidos pelos autores das análises do NANOGrav para o caso de reaquecimento instantâneo, a corrida pode ser grande o suficiente para que a amplitude das OGF seja baixa o suficiente, de modo a não ser observada pelo LIGO.
A fim de testar esta hipótese, os autores refazem as suas análises com um índice espectral apresentando esta “corrida”. No caso de reaquecimento instantâneo, eles encontram um valor para este corrida que não viola os vínculos do LIGO. Eles também encontram que, independentemente do modelo de reaquecimento sob consideração, existe um valor desta corrida que evita a violação dos vínculos do LIGO.
Não elimine um sinal primordial
Os autores dizem que não podemos, portanto, eliminar uma explicação primordial para o sinal do NANOGrav ainda. Considerando diferentes cenários de reaquecimento em consideração, além de permitir que o índice espectral primordial apresente uma dependência com a frequência, e considerando ainda que o sinal detectado pode ser uma mistura de fundos de origens diferentes, é possível ainda que este sinal possa ser de origem primordial com uma maior probabilidade do que concluído anteriormente. Trabalhos futuros, que incluem parâmetros de reaquecimento dependentes do tempo e frequência, além de dados mais completos, podem fornecer uma ideia melhor da origem deste sinal ainda misterioso.
Adaptdo de Could the NANOGrav signal be primordial?, escrito por Emma Clarke e editado por Karthik Yadavalli
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