Ondas gravitacionais de alta frequência podem mudar modo como vemos o Universo

Com informações da Agência Fapesp - 10/01/2022

A detecção de ondas gravitacionais acima dos KHz permitiria conhecer fases do Universo primordial que não são acessíveis à investigação por meio de ondas eletromagnéticas.
[Imagem: A.Simonet (SSU)/LIGO/NSF]

Frequências das ondas gravitacionais

Os dois únicos meios de que a humanidade dispõe para estudar o Universo em larga escala são as ondas eletromagnéticas - das radiofrequências aos raios gama, passando pela luz visível - e as ondas gravitacionais.

Estas últimas só entraram em nosso arsenal científico em 2015, com a primeira medição direta de ondas gravitacionais, antes só inferidas por meio de teorias, graças aos observatórios LIGO e VIRGO.

Isso inaugurou a "astronomia de ondas gravitacionais", abrindo uma janela totalmente nova para a investigação do Universo.

Até o momento, porém, essa janela foi explorada apenas em uma faixa relativamente estreita de frequências, que varia de 10 hertz (10 Hz) a 10 quilohertz (10 KHz, ou 10⁴ Hz).

Os desafios e as oportunidades da pesquisa de ondas gravitacionais em frequências muito mais altas, de megahertz (10⁶ Hz) a gigahertz (10⁹ Hz), foram tema de um evento presencial realizado em Trieste, na Itália, em 2019, antes da pandemia.

As reflexões trocadas nesse encontro, bem como a revisão de toda a literatura científica sobre o tema, foram agora sistematizadas e publicadas em um artigo que conta com a participação de Odylio Denys de Aguiar, pesquisador do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais).

Minuburacos negros e estrelas de bósons

A ampliação do leque observacional das ondas gravitacionais é visto com ansiedade pelos astrônomos e astrofísicos porque uma detecção nessa faixa pode ter um efeito dramático sobre todo o nosso entendimento do Universo.

Os pesquisadores começam ressaltando que "não existem objetos astrofísicos conhecidos que sejam pequenos e densos o suficiente para emitir em frequências além de 10 quilohertz. Qualquer descoberta de ondas gravitacionais em frequências mais altas indicaria, portanto, uma nova física além do Modelo Padrão, ligada, por exemplo, a objetos astrofísicos exóticos ou a eventos cosmológicos no Universo primitivo".

"Para emitir na faixa considerada, é preciso que matéria muito compacta oscile em frequências extremamente altas. Seria o caso, por exemplo, de miniburacos negros, com diâmetros menores do que um quilômetro, e massas inferiores à massa do Sol ou até mesmo à massa da Terra," detalhou Aguiar.

Entre os objetos astrofísicos exóticos, a equipe sugere buracos negros primordiais e estrelas de bósons, corpos celestes hipotéticos que seriam formados por partículas muito leves, ainda não detectadas. E, na categoria de eventos cosmológicos no Universo primitivo, poderiam estar incluídas transições de fase, flutuações térmicas e cordas cósmicas, entre outros.

Todas essas sugestões são formulações teóricas, que uma eventual detecção de onda gravitacional nessas frequências mais altas permitiriam confirmar, corrigir ou descartar. É por isso que há tanto interesse nessas pesquisas.

Fontes emissoras e detectores de ondas gravitacionais.
[Imagem: Christopher Moore/Robert Cole/Christopher Berry]

Novos detectores de ondas gravitacionais

A astronomia e a cosmologia tiveram notável avanço quando as observações feitas a partir de ondas eletromagnéticas transcenderam a faixa da luz visível para acessar outras bandas de frequência. Do mesmo modo, a detecção de ondas gravitacionais de frequências superiores a 10 quilohertz teria efeitos de longo alcance.

"Em particular, essa detecção permitiria obter informações sobre o período compreendido entre o Big Bang e a emissão da radiação cósmica de fundo, hoje captada na forma de micro-ondas. Nesse período, que se prolongou por quase 400 mil anos, a radiação eletromagnética estava tão fortemente acoplada à matéria que não podia se propagar livremente. Mas as ondas gravitacionais podiam viajar sem perturbações e formariam hoje um fundo que poderia eventualmente ser detectado," explicou Aguiar.

A grande dificuldade para essa detecção é de natureza tecnológica. "Quanto maior a frequência da onda, menor sua amplitude. Isto porque, assim como o espectro eletromagnético, o espectro de ondas gravitacionais também segue, grosso modo, uma lei de potência em função da frequência com expoente negativo. Em outras palavras: A natureza é mais generosa em baixas frequências, como fica evidente nos gráficos [ver imagem acima], que mostra as amplitudes esperadas de fontes astrofísicas e cosmológicas no Universo e a sensibilidade dos principais projetos para detecção de ondas gravitacionais com frequências abaixo de 10 kHz," detalhou.

Nenhuma das várias propostas compiladas no artigo atinge atualmente a sensibilidade necessária para detectar ondas gravitacionais na faixa dos KHz. Na melhor das hipóteses, elas alcançam patamares de sensibilidade seis ordens de magnitude menores.

Mas os pesquisadores lembram que, menos de 50 anos atrás, Kip Thorne, que foi um dos grandes precursores do estudo de ondas gravitacionais, havia dito, juntamente com seus colegas John Archibald Wheeler e Charles Misner, que interferômetros a laser tinham sensibilidade tão baixa que eram de pouco interesse experimental. Em 2017, Thorne ganhou o Prêmio Nobel depois da primeira detecção de ondas gravitacionais realizada em 2015 pelo interferômetro a laser LIGO.

Segundo Aguiar, a solução tecnológica para a detecção de ondas gravitacionais de alta frequência não virá necessariamente de projetos bilionários. Mas de soluções altamente inovadoras, algumas jamais pensadas.

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