Ondas gravitacionais podem resolver o enigma da constante de Hubble

arte da fusão de duas estrelas de nêutrons.

Uma representação artística de duas estrelas de nêutrons se fundindo e liberando ondas gravitacionais. (Crédito da imagem: R. Hurt / Caltech-JPL)

Analisando ondulações no tecido do espaço e do tempo criado por pares de estrelas mortas pode em breve resolver um mistério cósmico em torno da rapidez com que o universo está se expandindo - se os cientistas tiverem sorte.

Esse é o veredicto de um novo estudo, que também pode lançar luz sobre o destino final do universo, disseram os pesquisadores que trabalharam nele.



O cosmos continuou se expandindo desde seu nascimento, cerca de 13,8 bilhões de anos atrás. Ao medir a taxa atual de expansão do universo, conhecida como Constante de Hubble , os cientistas podem deduzir a idade do cosmos e detalhes de seu estado atual. Eles podem até usar o número para tentar aprender o destino do universo , por exemplo, se ele vai se expandir para sempre, desmoronar sobre si mesmo ou se despedaçar completamente.

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Os cientistas usam dois métodos principais para medir a constante de Hubble. Um envolve o monitoramento de objetos próximos cujas propriedades os cientistas entendem bem, como explosões estelares conhecidas como supernovas e estrelas pulsantes conhecidas como variáveis ​​Cefeidas, para estimar suas distâncias e então deduzir a taxa de expansão do universo. O outro enfoca a radiação cósmica de fundo, a radiação residual do Big Bang, e examina como ela mudou ao longo do tempo para calcular a rapidez com que o cosmos se expandiu.

No entanto, este par de técnicas produziu dois resultados diferentes para o valor da constante de Hubble. Dados da radiação cósmica de fundo sugerem que o universo está se expandindo atualmente a uma taxa de cerca de 41,6 milhas (67 quilômetros) por segundo por 3,26 milhões de anos-luz, enquanto dados de supernovas e cefeidas no universo próximo sugerem uma taxa de cerca de 45,3 milhas ( 73 km) por segundo por 3,26 milhões de anos-luz.

Essa discrepância sugere que o modelo cosmológico padrão - a compreensão dos cientistas da estrutura e da história do universo - pode estar errado. Resolver esse debate, conhecido como o conflito constante do Hubble, pode lançar luz sobre a evolução e o destino final do cosmos.

No novo estudo, os físicos sugerem que os dados futuros das ondulações no tecido do espaço e do tempo, conhecidas como ondas gravitacionais, podem ajudar a quebrar esse impasse. 'O conflito constante do Hubble - a maior dica que temos de que nosso modelo do universo está incompleto - pode ser resolvido em cinco a 10 anos', disse o autor do estudo Stephen Feeney, astrofísico do Flatiron Institute em Nova York, ao Space.com.

De acordo com o de Einstein teoria da relatividade geral , a gravidade resulta de como a massa distorce o espaço-tempo. Quando qualquer objeto com massa se move, ele deve produzir ondas gravitacionais que voam à velocidade da luz, esticando e comprimindo o espaço-tempo ao longo do caminho.

As ondas gravitacionais são extraordinariamente fracas, e foi apenas em 2016 que os cientistas detectaram a primeira evidência direta delas. Em 2017, os cientistas também detectaram ondas gravitacionais de estrelas de nêutrons em colisão, restos de estrelas que morreram em explosões catastróficas conhecidas como supernovas . Se os restos de uma estrela não forem massivos o suficiente para colapsar e se tornar um buraco negro, eles terminarão como uma estrela de nêutrons, assim chamada porque sua atração gravitacional é forte o suficiente para esmagar prótons junto com elétrons para formar nêutrons.

Ao contrário dos buracos negros, as estrelas de nêutrons emitem luz visível, assim como suas colisões. As ondas gravitacionais dessas fusões, chamadas de 'sirenes padrão', ajudarão os cientistas a identificar sua distância da Terra, enquanto a luz dessas colisões ajudará a determinar a velocidade com que eles se moviam em relação à Terra. Os pesquisadores podem então usar esses dois conjuntos de dados para calcular a constante de Hubble. De acordo com Feeney e seus colegas, a análise de colisões entre cerca de 50 pares de estrelas de nêutrons nos próximos cinco a 10 anos pode render dados suficientes para determinar a melhor medição ainda da constante de Hubble.

No entanto, essa estimativa depende da frequência com que ocorrem as colisões de estrelas de nêutrons. 'Há uma incerteza considerável na taxa de fusão de estrelas de nêutrons - afinal, só vimos uma até agora', disse Feeney. 'Se tivéssemos muita sorte em ver isso, e as fusões são na verdade muito mais raras do que pensamos, então observar o número de fusões necessárias para explicar o conflito constante do Hubble poderia levar mais tempo do que afirmamos em nosso trabalho.'

As ondas gravitacionais podem acabar apoiando um valor para a constante de Hubble sobre o outro, mas também podem determinar um novo terceiro valor para a constante de Hubble, disse Feeney. Se isso acontecer, pode levar a novos insights sobre o comportamento de supernovas, cefeidas ou estrelas de nêutrons, acrescentou.

Os cientistas detalharam suas descobertas online em 14 de fevereiro na revista Physical Review Letters.

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