Dez anos atrás, o mundo descobria que uma busca que mobilizava físicos de todo o planeta há um século havia chegado a termo. Em artigo publicado em fevereiro de 2016, dois consórcios internacionais de pesquisadores relatavam a primeira detecção comprovada das chamadas ondas gravitacionais, cuja existência fora prevista por Einstein ainda em 1916. Abria-se, assim, uma janela completamente nova para perscrutar os segredos invisíveis do cosmos. Desde então, os astrônomos vêm enfrentando o desafio de multiplicar os eventos de detecção de ondas gravitacionais e sofisticar suas análises.
Para ajudar nesta tarefa, uma equipe de estudiosos integrada por pesquisadores da Unesp desenvolveu todo um universo simulado, povoado por milhares de galáxias, para servir como ambiente de testes para os astrônomos. O artigo relatando o trabalho do grupo foi publicado na revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
O nascimento da astronomia moderna coincide com o desenvolvimento dos primeiros telescópios, ainda no século 17. A luz visível, revelada em estrelas e planetas, foi durante séculos a principal fonte de informação para estudos sobre o universo. No século 20, com o desenvolvimento das tecnologias de observação, os telescópios óticos passaram a coletar informações em outras frequências do espectro eletromagnético (do qual, aliás, a luz visível corresponde a uma faixa limitada), como o infravermelho e o ultravioleta. Em paralelo, o surgimento dos detectores de neutrinos e dos observatórios de raios cósmicos possibilitou ampliar o estudo do universo, abrangendo as partículas que o compõem.
Mas os astrônomos desconfiavam que o universo cosmos abrigasse mais elementos que os telescópios óticos e detectores de partículas não conseguiam revelar. Essa desconfiança remontava às ideias que Einstein formulou em sua teoria da Relatividade Geral.
Einstein postulou que a existência de processos muito violentos, capazes de gerar quantidades extremas de energia (que hoje identificamos como explosões de supernovas ou pares de buracos negros e outros objetos que se orbitam mutuamente sob a ação de uma gravidade intensa), resultaria em ondulações que se propagariam pelo espaço-tempo: as ondas gravitacionais. Imagine as ondas produzidas em um lago quando lançamos uma pedra. A pedra representa os objetos massivos que emitem as perturbações, enquanto a ondulação no lago representa as ondas gravitacionais se espalhando.
Para submeter a hipótese de Einstein ao teste das verificações experimentais, foi preciso primeiro proceder a um extenso processo de desenvolvimento teórico e, sobretudo, tecnológico que levou décadas. Isso explica o fato de que transcorreu um século até que houvesse a primeira detecção. Esse trabalho engajou uma comunidade de centenas de físicos espalhados por diversos países, inclusive o Brasil. O resultado foi o desenvolvimento dos chamados observatórios de ondas gravitacionais, dispositivos tão sofisticados que são capazes de assinalar uma deformação no espaço tão pequena quanto 10⁻¹⁸ m! A essa ordem de grandeza pertencem os efeitos que as ondas gravitacionais causam quando passam pelo nosso planeta.
A primeira detecção, que ocorreu em 2015 e foi anunciada no ano seguinte, foi celebrada como um feito tecnológico. Mas o fato é que esta tecnologia ainda está nos seus primeiros passos. Isso fica evidenciado pelo número relativamente baixo de detecções que foram anunciadas desde então: 390 confirmadas, segundo o último catálogo publicado pela colaboração dos detectores LIGO–Virgo–KAGRA. Isso destoa muito das estimativas feitas pelos astrônomos, que consideram que existem milhares de ondas gravitacionais cuja detecção é possível, desde que se empreguem tecnologias suficientemente desenvolvidas.
A fim de transformar esse quadro, uma nova geração de detectores de ondas gravitacionais vem sendo desenvolvida. Essa nova geração envolve dois grandes projetos internacionais, o Cosmic Explorer (CE) e o Einstein Telescope (ET), apoiados, respectivamente, por colaborações dos Estados Unidos e da Europa.
O trabalho dos pesquisadores da Unesp e seus colaboradores teve como objetivo prever de que modo a atuação desses novos observatórios poderá ampliar a detecção de ondas gravitacionais e melhorar a capacidade de determinar as características e a localização das fontes de onde essas ondas foram emanadas. Com esse objetivo, eles desenvolveram um catálogo de eventos simulados que combina informações sobre os objetos que produzem as ondas gravitacionais, as galáxias onde esses eventos ocorrem e os detectores capazes de percebê-los.
Mas o trabalho vai além, e avalia também a possibilidade de usar, de forma combinada, detectores de ondas gravitacionais e os dados do telescópio ótico LSST, do Observatório Vera C. Rubin. O objetivo é usar as observações desse megaempreendimento (que promete identificar 38 bilhões de novos objetos celestes ao longo de dez anos de operação) para combinar com as informações de fontes de ondas gravitacionais que emitem luz, como a fusão de estrelas de nêutrons. O estudo traz uma estimativa de quantos eventos poderão ser detectados por esta metodologia, e também da precisão com que eles poderão ser localizados e estudados.
Um universo ainda desconhecido
A pesquisa teve origem no doutorado de Ranier Menote, na Universidade Federal do Espírito Santo. Ele inicialmente se dedicou a estudar a evolução do universo a partir das informações contidas nas ondas gravitacionais. “Não havia dados suficientes para fazer esse estudo. Esse foi um obstáculo inicial”, lembra o físico que, hoje, realiza o pós-doutorado no Instituto de Física Teórica da Unesp, câmpus de São Paulo.
A solução foi simular os dados que poderiam ser obtidos nos próximos anos, com o avanço das observações. Essa estratégia é conhecida como forecast, termo utilizado para estudos que procuram antecipar os resultados que poderão ser obtidos em determinadas condições. Ou seja: em vez de esperar que os novos detectores estejam em funcionamento para descobrir quais informações serão capazes de produzir, a equipe construiu diferentes cenários possíveis e avaliou como eles poderiam contribuir para o estudo da evolução do universo. “Vamos simular os dados de que a gente espera dispor daqui a muitos anos de observações”, explica Ranier.
Para tornar essas previsões mais próximas da realidade, os pesquisadores reuniram resultados de diferentes estudos teóricos, observacionais e de simulações numéricas. Essas informações foram utilizadas para definir quais características os eventos simulados deveriam apresentar e quais distribuições seriam razoáveis para as populações de objetos que produzem ondas gravitacionais.
O resultado é um catálogo que reúne eventos de três tipos de sistemas: pares de buracos negros, pares de estrelas de nêutrons e sistemas formados por um buraco negro e uma estrela de nêutrons. Para cada evento, são consideradas propriedades como massas, rotações, distância, posição no céu e orientação do sistema. A partir desses parâmetros, os pesquisadores simulam o sinal da onda gravitacional que chegaria aos detectores e estimam a precisão com que diferentes características poderiam ser determinadas.
Mas há uma diferença importante em relação a outras simulações: os eventos não foram considerados isoladamente. Cada um deles foi associado a uma galáxia hospedeira presente no CosmoDC2, um catálogo sintético de galáxias desenvolvido para estudos relacionados ao LSST. Assim, além de perguntar quantos eventos poderiam ser detectados, os pesquisadores podem investigar em que tipo de ambiente galáctico essas fusões ocorreriam e como as informações das galáxias poderiam ser combinadas às das ondas gravitacionais.
“Nós supomos que a fusão desses objetos não acontece no meio do nada, no vácuo intergaláctico”, conta Riccardo Sturani, pesquisador do IFT-Unesp e do Centro Internacional de Física Teórica – Instituto Sul-Americano para Pesquisa Fundamental (ICTP-SAIFR). “Isso deve ocorrer dentro de uma galáxia. Não temos como identificar exatamente onde, dentro da galáxia, esse fenômeno aconteceu. Mas é uma nova forma de mapear a dinâmica do universo”, diz Sturani.
Duas formas de observar o universo
Essa combinação é importante porque ondas gravitacionais e galáxias oferecem informações diferentes sobre o universo. Na cosmologia, as galáxias funcionam como uma espécie de mapa da distribuição da matéria no universo. Ao observar um grande número, os pesquisadores conseguem estudar como elas estão distribuídas, como se agrupam e como suas distâncias e movimentos se relacionam com a expansão do universo.
“Uma das primeiras formas de observar o universo é por meio das galáxias”, explica Sturani, que atualmente orienta o pós-doutorado de Ranier. “Elas são, de longe, a forma mais rica e acessível de estudar a dinâmica do universo, porque podemos observar bilhões de galáxias a diferentes distâncias por meio da luz que as suas estrelas emitem.”
As galáxias são longevas e estáveis, o que faz com que a luz que elas emitem seja um sinal contínuo captado ao longo do tempo. Esse não é o caso dos sinais das ondas gravitacionais, que são produzidos por acontecimentos específicos, como a fusão de buracos negros e estrelas de nêutrons. A onda gravitacional, portanto, aparece durante o processo de fusão, muda de frequência e intensidade e depois desaparece.
Uma das informações que se pode obter a partir das ondas é a massa dos objetos envolvidos. À medida que os dois corpos se aproximam, a frequência da onda gravitacional aumenta. Essa variação está relacionada às características dos objetos que estão se fundindo. A amplitude do sinal, por sua vez, permite estimar a distância da fonte. Dessa forma, as ondas gravitacionais funcionam como uma espécie de instrumento para medir distâncias cósmicas.
É justamente aí que surge uma das possibilidades mais importantes para a cosmologia. As galáxias permitem determinar o chamado redshift, ou desvio para o vermelho, uma alteração na luz associada ao movimento de afastamento das galáxias e à expansão do universo. Já as ondas gravitacionais permitem determinar a distância exata da fonte. Ao combinar as duas informações, os pesquisadores podem estudar a relação entre distância e redshift e, consequentemente, analisar como a expansão do universo evoluiu ao longo do tempo.
“Sabemos que o universo está se expandindo de forma acelerada”, conta Ranier. “Portanto, se conseguirmos combinar as informações do redshift das galáxias, com as distâncias obtidas a partir das ondas gravitacionais, é possível ver como essa expansão evoluiu do passado até hoje”, explica. Isso também permite, por exemplo, visualizar cenários futuros sobre como essa taxa irá mudar**,** mas, para isso, são necessários mais dados.
“Uma das principais ferramentas empregadas para simulações na cosmologia é a estatística. Para que se possa estudar a evolução do universo, é preciso dispor de muitos eventos para que depois se possa produzir essas estatísticas”, diz Ranier. É aí que entra a importância de ter um catálogo que simule um número maior de eventos do que os obtidos até agora. “Isso cria um campo propício para que a comunidade científica desenvolva suas técnicas de análise estatística que, no futuro, serão aplicadas a dados verdadeiros”, afirma o físico.
Um é para ver, outro para escutar
Os detectores de terceira geração devem trazer uma sensibilidade dez vezes superior à dos detectores atualmente em uso. Com a sua entrada em funcionamento, prevista para a próxima década, espera-se que sejam detectados dezenas de milhares de eventos de ondas gravitacionais por ano.
Entre as melhorias previstas estão avanços no controle dos ruídos, que podem encobrir sinais extremamente fracos. Os detectores atuais, de segunda geração, utilizam interferômetros a laser para medir variações minúsculas na distância entre espelhos — como uma régua extremamente precisa. O problema é que vibrações do solo, veículos, ondas do mar e outras fontes de interferência podem afetar essas medidas. Para reduzir esses efeitos, o Einstein Telescope, por exemplo, será construído no subsolo. Também estão previstos avanços no controle da temperatura dos componentes, incluindo o resfriamento dos espelhos a poucos graus acima do zero absoluto.
Apesar da maior sensibilidade dos novos observatórios, os detectores atuais não perderão sua utilidade. No artigo, os pesquisadores demonstram que combinar os diferentes projetos pode melhorar a localização das fontes no céu. “Eles poderiam ser utilizados para melhorar a triangulação da fonte”, explica Ranier. Assim como diferentes antenas podem ajudar a localizar a origem de um sinal, a combinação de detectores permite reduzir a incerteza sobre a região do céu de onde veio uma onda gravitacional.
É nesse ponto que entra o LSST. O telescópio não detecta ondas gravitacionais, mas observa a luz de bilhões de galáxias e fornecerá informações como suas posições e redshifts. Além dos eventos de ondas gravitacionais, o estudo também simulou as possíveis contrapartidas luminosas das fusões de estrelas de nêutrons, as chamadas quilonovas. Em um dos cenários analisados, a combinação de detectores de terceira e segunda gerações com o LSST poderia resultar na detecção de cerca de 5 mil quilonovas associadas a ondas gravitacionais em dez anos.
“Com isso, nós reunimos informações complementares: uma quantidade maior de detecções a partir da triangulação com os detectores de segunda e terceira gerações, que irão fornecer dados da distância exata do evento; e os dados de redshift das galáxias, obtidos pelo LSST, que permitem inferir a velocidade de expansão do universo”, conta Sturani. “Combinando as informações de diferentes fontes, podemos chegar a conclusões mais precisas sobre como a expansão do universo mudou ao longo do tempo”, completa.
O LSST viu a “primeira luz” em junho de 2025, iniciou as operações formalmente em junho deste ano, e espera-se que o Einstein Telescope e o Cosmic Explorer iniciem os trabalhos em meados de 2030. A expectativa é que uma nova via para o estudo do espaço esteja no horizonte. “O LSST nos permite enxergar o universo, e os detectores de ondas gravitacionais nos permitem ouvi-lo. Juntando essas duas informações, poderemos traçar um retrato de como é o cosmos de fato”, afirma Ranier.
Matéria: Malena Stariolo | Jornal da Unicamp.
