Ondas gravitacionais podem brevemente fornecer uma medida da expansão do universo

Há vinte anos, os cientistas ficaram chocados ao perceber que o nosso Universo não está apenas a expandir-se, mas que está a expandir-se mais depressa com o passar do tempo.

A determinação da taxa exata de expansão, chamada constante de Hubble, em honra ao famoso astrónomo Edwin Hubble, tem sido surpreendentemente difícil. Desde então, os cientistas usaram dois métodos para calcular o valor, com resultados angustiantemente diferentes.

Mas a surpreendente captura de ondas gravitacionais o ano passado, oriundas de uma colisão de estrelas de neutrões, forneceu uma terceira forma de calcular a constante de Hubble.

Esse foi apenas um único ponto de dados de uma colisão, mas num novo estudo, publicado este mês na Nature, três cientistas da Universidade de Chicago estimam que, com a rapidez com que os investigadores viram a primeira colisão entre estrelas de neutrões, podem ter uma medida precisa da constante de Hubble dentro de 5 a 10 anos.

“A constante de Hubble diz-nos o tamanho e idade do Universo; é o ‘santo Graal’ desde o nascimento da cosmologia. O seu cálculo, recorrendo às ondas gravitacionais, poderá dar-nos uma perspetiva inteiramente nova do Universo,” comenta o autor Daniel Holz, professor de física na Universidade de Chicago e coautor do primeiro cálculo do género aquando da descoberta de 2017.

“A questão é: quando é que muda o jogo para a cosmologia?”, questiona Holz.

Em 1929, Hubble anunciou que, com base nas suas observações de galáxias para lá da Via Láctea, estas pareciam estar a afastar-se de nós – e que quanto mais distante a galáxia, mais rápido estava a retroceder. Esta é uma pedra fundamental da teoria do Big Bang e iniciou uma busca de quase um século pela taxa exata a que isto ocorre.

Para calcular a taxa de expansão do Universo, os cientistas precisam de dois números. Um é a distância até um objeto distante; o outro é quão rápido o objeto se afasta de nós devido à expansão do Universo.

Se pudermos vê-lo com um telescópio, o segundo valor é relativamente fácil de obter, porque a luz que vemos quando olhamos para uma estrela distante desvia-se para o vermelho à medida que se afasta.

Os astrónomos há mais de um século que usam este truque para ver a velocidade com que um objeto se move – é como o efeito Doppler, no qual uma sirene muda de tom quando a ambulância passa por nós.

Grandes questões nos cálculos

Mas obter uma medida exata da distância é muito mais difícil. Tradicionalmente, os astrofísicos usam uma técnica chamada escada de distâncias cósmicas, na qual o brilho de certas estrelas variáveis e supernovas pode ser usado para construir uma série de comparações que chegam até ao objeto em questão.

“O problema, é que para lá chegar, existem muitos passos com muitas suposições,” comenta Holz.

Talvez as supernovas usadas como marcadores não sejam tão consistentes quanto se pensa. Talvez estejamos a confundir alguns tipos de supernovas com outros, ou exista algum erro desconhecido nas nossas medições das distâncias até estrelas próximas. “Há muita astrofísica complicada que pode prejudicar as leituras de várias maneiras,” realça.

A outra maneira importante de calcular a constante de Hubble é olhar para a radiação cósmica de fundo em micro-ondas – o pulso de luz criada no início do Universo, que ainda é vagamente detetável. Embora também seja útil, este método baseia-se igualmente em suposições sobre como o Universo funciona.

O surpreendente é que, embora os cientistas que fazem cada cálculo estejam confiantes nos seus resultados, estes não são iguais. Um diz que o Universo está a expandir-se quase 10% mais depressa do que o outro.

“Esta é a grande questão da cosmologia,” diz o autor principal do estudo, Hsin-Yu Chen, na altura estudante da Universidade de Chicago e agora membro da Iniciativa Black Hole da Universidade de Harvard.

Então os detetores do LIGO captaram a sua primeira ondulação no tecido do espaço-tempo a partir da colisão de duas estrelas no ano passado. Isto não somente abalou o observatório, mas o próprio campo da astronomia: ser capaz de sentir a onda gravitacional e ver a luz do rescaldo da colisão com um telescópio deu aos cientistas uma nova e poderosa ferramenta.

“Foi uma espécie de constrangimento de riquezas,” comenta Holz.

As ondas gravitacionais fornecem uma maneira completamente diferente de calcular a constante de Hubble. Quando duas estrelas massivas colidem uma com a outra, emitem ondulações no tecido do espaço-tempo que podem ser detetadas na Terra.

Medindo esse sinal, os cientistas podem obter uma assinatura da massa e da energia das estrelas em colisão. Quando comparam essa leitura com a força das ondas gravitacionais, podem inferir a que distância elas estão.

Esta medição é mais limpa e contém menos suposições sobre o Universo, o que deve torná-la mais precisa, disse Holz. Juntamente com Scott Hughes do MIT, ele sugeriu a ideia de fazer esta medição com ondas gravitacionais emparelhadas com observações telescópicas em 2005. A única questão é a frequência com que os cientistas podiam captar estes eventos, e quão bons seriam os dados.

‘Só vai ficar mais interessante’

O artigo prevê que, assim que os cientistas tenham detetado 25 leituras de colisões de estrelas de neutrões, possam medir a expansão do Universo com uma precisão de 3%. Com 200 leituras, esse número diminui para 1%.

“Para mim foi uma grande surpresa quando entrámos nas simulações,” disse Chen. “Ficou claro que poderíamos alcançar precisão e que poderíamos alcançá-la rapidamente.”

Os cientistas dizem que um novo número preciso para a constante de Hubble seria fascinante, não importa a resposta. Por exemplo, uma razão possível para a incompatibilidade nos outros dois métodos é que a natureza da própria gravidade pode ter mudado com o tempo. A leitura também pode lançar luz sobre a energia escura, uma força misteriosa responsável pela expansão do Universo.

“Com a colisão que vimos no ano passado, tivemos sorte – estava perto de nós, foi relativamente fácil de encontrar e analisar,” comenta Maya Fishbach, estudante da Universidade de Chicago e outra autora do estudo.

“As deteções futuras estarão muito mais distantes, mas assim que tivermos a próxima geração de telescópios, poderemos encontrar também contrapartes para essas deteções distantes.”

Está planeado que os detetores do LIGO comecem uma nova campanha de observações em fevereiro de 2019, juntamente com os seus homólogos italianos no VIRGO. Graças a uma atualização, a sensibilidade dos detetores será muito maior – expandindo o número e distância de eventos astronómicos que podem captar.

“Só vai ficar mais interessante,” conclui Holz.