Binárias de buracos negros: pesquisa da UFRN cria novo método de medição da constante de Hubble

Estudo da UFRN investiga uma nova maneira de medir a constante de Hubble, utilizando ondas gravitacionais de buracos negros binários. A pesquisa, publicada no periódico Physical Review D, também estuda como os detectores de ondas gravitacionais de terceira geração, como o Einstein Telescope, podem ser úteis nessa busca.

Com apoio do Núcleo de Processamento de Alto Desempenho (NPAD/UFRN), o trabalho foi desenvolvido pelo pesquisador Hebertt Leandro, doutor em Física pelo Departamento de Física Teórica e Experimental da UFRN (DFTE/UFRN), com auxílio dos colegas Valerio Marra, do Núcleo de Astrofísica e Cosmologia & Departamento de Física da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), e Riccardo Sturani, do Instituto Internacional de Física da UFRN (IIF).

O resultado da pesquisa tem grande importância para a cosmologia moderna. Com os valores precisos da constante de Hubble será possível desvendar mistérios sobre a origem do universo e sua expansão. Para entender melhor como isso é possível, é necessário entender outros conceitos da área.

Em 1929, o astrônomo norte-americano Edwin Powell Hubble (1889-1953) demonstrou que o universo estava se expandindo. Ele observou a luz emitida pelas galáxias distantes e notou que o comprimento de onda no espectro de cores era maior do que deveria ser: as galáxias estavam com o desvio para o vermelho maior do que o esperado, fenômeno que só seria possível se a fonte e o observador estivessem se afastando um do outro.

O fato é que galáxias mais distantes têm um desvio para o vermelho, enquanto as mais próximas, para o azul. Ou seja, apesar de próxima, a luz da galáxia está chegando atrasada, pois a tem de viajar contra uma velocidade oposta, uma expansão constante, a constante de Hubble. É como subir uma escada rolante que está descendo: você chega ao topo mais tarde e com mais esforço do que se ela estivesse subindo ou parada. Essa descoberta levou mais tarde à dedução do Big-Bang.

A lei de Hubble afirma que, quanto maior a distância entre uma galáxia e a Terra, mais rapidamente essa galáxia se afasta de nós. A constante de Hubble, representada por H0, mostra o quão grande é o aumento de velocidade das galáxias. Com o tempo, a constante foi atualizada diversas vezes, sempre com valores muito distintos. Isso se dá por um problema na cosmologia, no qual o valor da medida varia entre observáveis mais novas e observáveis mais velhas.

Normalmente, a constante de Hubble é medida utilizando-se dois fatores: a distância de luminosidade, representada por dL, fornecida pelo evento astrofísico, e o desvio para o vermelho, também conhecido como redshift. O redshift é um dado que pode ser obtido pela luz emitida pelo objeto observado. Entretanto, como muitos sabem, buracos negros não emitem luz, então como é possível fazer essa medição? Uma das maneiras está descrita nesse artigo, utilizando buracos negros binários.

Os buracos negros binários são dois buracos negros que entraram na órbita um do outro. Eles iniciam um movimento circular entre si que se intensifica quanto mais se aproximam. Esse movimento gera gigantescas ondas gravitacionais, que se propagam por todo o universo e podem ser identificadas utilizando detectores de ondas gravitacionais.

Os detectores de terceira geração, que ainda estão sendo desenvolvidos, prometem expandir nosso conhecimento sobre como sistemas de binárias produzem ondas gravitacionais. Eles serão capazes de revelar novos buracos negros binários e estrelas de neutrons binárias, definindo com mais precisão a quantidade de astros massivos no universo. Assim, só detectores com essa capacidade têm o poder de detectar a quantidade de eventos necessários para pôr esse estudo em prática.

Com os dados das ondas gravitacionais é possível obter a distância de luminosidade, porém não é possível obter informações sobre o redshift. Então Herbertt e os colaboradores desenvolveram uma função de probabilidade para obter esse valor fazendo o caminho contrário do habitual.

Como dito antes, o desvio para vermelho, ou redshift, é obtido de objetos que emitem luz. Também é sabido que com a taxa de formação de estrelas se consegue estimar a quantidade de buracos negros binários de um redshift. Dessa forma, a partir da população de buracos negros binários e usando a função de probabilidade desenvolvida, é possível fazer o caminho inverso para se obter a informação sobre o redshift.

O principal resultado da pesquisa foi a conclusão de que com esse método é possível estimar a medida da constante de Hubble com uma precisão muito alta. A exatidão do valor vai depender da quantidade de eventos analisados. “Estimamos que com 40.000 eventos analisados com a terceira geração de detectores podemos obter a constante de Hubble com precisão de 97,3%”, afirma Hebertt. “O Einstein Telescope pode analisar mais ou menos 10.000 eventos por mês. No caso, 40.000 eventos em três ou quatro meses.”

Tanto o cálculo da função de probabilidade quanto a estimativa da precisão dos resultados foram feitos utilizando o supercomputador do NPAD. “O Núcleo de Processamento de Alto Desempenho foi de suma importância para o desenvolvimento do trabalho”, afirma. “O supercomputador foi útil também para rodar as simulações em que utilizamos inferência bayesiana para a estimativa de em quantos eventos podemos obter a constante de Hubble com determinada precisão”, conclui o pesquisador.

Com isso, a pesquisa tem um impacto social significativo, pois desenvolve um novo método de medição da constante de Hubble, um valor de extrema importância na cosmologia. Se postos em prática, os resultados podem ajudar a desvendar mistérios sobre a origem do Universo.

Fonte: Agecom/UFRN