A recente detecção de ondas gravitacionais feita pelo Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) veio de dois buracos negros, cada um com cerca de 30 vezes a massa do Sol, se fundindo em um só. As ondas gravitacionais se espalham por um grande intervalo de frequências e necessitam de diferentes tecnologias para serem detectadas. Um novo estudo feito pelo North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) tem mostrado que as ondas gravitacionais de baixa frequência poderiam em breve ser detectadas pelos rádio telescópios existentes.
“Detectando esse sinal é possível se nós fossemos capazes de monitorar um grande número de pulsares espalhados pelo céu”, disse Stephen Taylor, principal autor do artigo publicado nessa semana no The Astrophysical Journal Letters. Ele é um pesquisador de pós-doutorado no Laboratório de Propulsão a Jato, o JPL, em Pasadena, na Califórnia. “A nossa ferramenta irá observar o mesmo padrão de desvios em todos eles”. Taylor e seus colegas no JPL e no Instituto de Tecnologia da Califórnia, estão estudando a melhor maneira de usar os pulsares para detectar os sinais de ondas gravitacionais de baixa frequência. Os pulsares são estrelas de nêutrons altamente magnetizadas, o núcleo das estrelas em rotação rápida é deixado para trás quando uma estrela massiva explode como uma supernova.
A teoria geral da relatividade de Einstein prevê que as ondas gravitacionais – as ondulações no espaço-tempo – emanam de objetos massivos em aceleração. As ondas gravitacionais em nanohertz são emitidas de pares de buracos negros supermassivos em órbita um relação ao outro, cada um deles com uma massa de milhões a bilhões de vezes a massa dos buracos negros que geraram as ondas gravitacionais detectadas pelo LIGO. Esses buracos negros se originam no centro de galáxias separadas que colidiram. Eles vagarosamente se aproximam até que eventualmente se fundem para criar um único buraco negro supermassivo.
À medida que eles orbitam um ao outro, os buracos negros puxam a fábrica do espaço e criam um fraco sinal que viaja para fora em todas as direções, como uma vibração numa teia de aranha. Quando essa vibração passa pela Terra, ela empurra levemente o nosso planeta, causando um desvio com relação à distância dos pulsares. As ondas gravitacionais formadas por buracos negros supermassivos binários levam meses ou anos para passar pela Terra e necessitam de muitos anos de observações para que sejam detectadas.
“A fusão de galáxias é algo comum, e nós pensamos que existem muitas galáxias que abrigam buracos negros supermassivos binários, que nós devemos ser capazes de detectar”, disse Jopseph Lazio, um dos coautores de Taylor, também baseado no JPL. “Os pulsares permitirão que possamos ver esses massivos objetos à medida que eles vagarosamente se espiralam um em direção ao outro”.
Uma vez que esses gigantescos buracos negros se aproximam um do outro, as ondas gravitacionais se tornam muito curtas para serem detectadas usando os pulsares. Interferômetros baseados no espaço como o LISA e o eLISA, operarão na banda de frequência que pode detectar a assinatura da fusão de buracos negros supermassivos. A missão LISA Pathfinder, que inclui um sistema de estabilização desenvolvido pelo JPL está testando as tecnologias atuais necessárias para a futura missão eLISA.
Encontrar evidências para buracos negros supermassivos binários tem sido um desafio para os astrônomos. Os centros das galáxias contêm muitas estrelas, e mesmo buracos negros monstruosos são pequenos, se comparados com o tamanho do nosso Sistema Solar. Observando a assinatura visível desses sistemas binários contra o brilho da galáxia ao redor tem sido algo difícil para os astrônomos.
Os rádioastrônomos pesquisam por sinais de ondas gravitacionais desses sistemas binários. Em 2007, o NANOGrav começou a observar um conjunto de pulsares de rápida rotação, para tentar detectar desvios causados pelas ondas gravitacionais.
Os pulsares emitem feixes de ondas de rádio, algumas das quais varrem a Terra uma vez a cada rotação. Os astrônomos detectam isso como um pulso rápido de emissão de rádio. A maior parte dos pulsares rotacional algumas vezes por segundo. Mas, os chamados puslares de milissegundo, giram centenas de vezes mais rápidos.
“Os pulsares de milissegundo têm um tempo de chegada extremamente previsível, e os nossos instrumentos são capazes de medir esses tempos com uma precisão de dez milionésimos de segundos”, disse Maura McLaughlin, uma rádioastrônoma de West Virginia e membro da equipe do NANOGrav. “Por conta disso nós podemos usar esses pulsares para detectar os desvios extremamente pequenos na posição da Terra”.
Mas os astrofísicos no JPL e na Caltech avisam que para detectar ondas gravitacionais apagadas provavelmente serão necessários mais do que alguns pulsares. “Nós estamos como uma aranha no centro da teia”, disse Michele Vallisneri, outra pesquisadora membro do grupo de pesquisa. “Quanto mais fios tivemos na nossa teia de pulsares, mais provavelmente nós teremos o senso de quando uma onda gravitacional passar por nós”.
Vallisneri disse que para a realização dessa missão será necessária uma colaboração internacional. “O NANOGrav está monitorando atualmente 54 pulsares, mas nós temos poucos sendo observados do hemisfério sul. Nós precisamos trabalhar mais próximo com nossos colegas na Europa e na Austrália para ter todo o céu coberto para essa pesquisa”.
A aplicabilidade dessa abordagem foi recentemente colocada em questão quando um grupo australiano de pesquisadores de pulsares relatou que eles eram incapazes de detectar esses sinais quando analisaram um conjunto de pulsares com as medidas de tempo mais precisas. Depois de estudar esse resultado, a equipe do NANOGrav determinou que o relato da não detecção não foi uma surpresa, e resultou de uma combinação de modelos otimistas de ondas gravitacionais e a análise de poucos pulsares.
Apesar dos desafios técnicos, Taylor está confiante que a sua equipe está no caminho certo. “As ondas gravitacionais estão varrendo a Terra a todo o instante”, disse Taylor. “Dado ao grande número de pulsares que estão sendo observados pelo NANOGrav e outras equipes internacionais, nós esperamos ter uma evidência clara e convincente de ondas gravitacionais de baixa frequência na próxima década”.
O NANOGrav é uma colaboração de mais de 60 cientistas em mais de uma dezena de instituições nos EUA e no Canadá. O grupo usa observações de tempo dos pulsares na onda de rádio adquiridas no Telescópio de Green Bank do NRAO em West Virginia e no Rádio Observatório de Arecibo em Porto Rico, para pesquisar pelas ondulações na fábrica do espaço-tempo. Em 2015, o projeto NANOGrav ganhou 14.5 milhões de dólares da National Science Foundation para criar e operar um Centro de Fronteiras Físicas.
“Com a recente detecção das ondas gravitacionais feitas pelo LIGO, o trabalho do NANOGrav é particularmente interessante e no momento certo”, disse Pedro Marronetti, diretor do programa de detecção de ondas gravitacionais da National Science Foundation. “Esse Centro de Fronteiras Físicas financiado pelo NSF vem para complementar as observações do LIGO, estendendo a janela de detecção de ondas gravitacionais para as frequências mais baixas”.
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Fonte:
http://www.nasa.gov/feature/jpl/pulsar-web-could-detect-low-frequency-gravitational-waves
