Novos Métodos na Astronomia de Ondas Gravitacionais

O estudo das Ondas Gravitacionais (OGs) abriu novas formas de observar o universo. Um evento importante foi a detecção de uma onda gravitacional e um breve estouro de raios gama (sGRB) do mesmo evento envolvendo duas estrelas de nêutrons. Esse evento marcou o começo de um novo ramo na astronomia, onde os cientistas podem usar sinais de diferentes fontes pra aprender mais sobre o universo.

Nessa abordagem, os pesquisadores olham pra um grupo especial de Estrelas de Nêutrons Binárias (BNSs) que produzem ondas gravitacionais e estouros de raios gama sem saber de qual galáxia elas vêm. Essas fontes podem ser chamadas de sirenes atrasadas. O desafio tá em medir duas coisas-chave: quão rápido as ondas gravitacionais viajam e a expansão do universo, especificamente um valor chamado Constante de Hubble.

As ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo causadas por objetos massivos como estrelas de nêutrons ou buracos negros se fundindo. Elas podem fornecer medições de distância sem precisar de métodos astrofísicos tradicionais. No entanto, os pesquisadores enfrentam um desafio porque as ondas gravitacionais não dão informações diretas sobre a distância até a fonte. Então, os cientistas criaram vários métodos pra estimar essas distâncias por meio de diferentes tipos de observações.

Uma situação simples surge quando os observadores conseguem ver a luz do mesmo evento que causou as ondas gravitacionais. Esse foi o caso do evento GW170817, onde ambos os sinais foram detectados. Pra esses casos, os astrônomos podem identificar a galáxia hospedeira e obter uma medição de desvio para vermelho, que dá informações sobre a distância. Porém, só um evento foi claramente ligado a um sinal de luz detectável, enquanto muitos eventos de ondas gravitacionais vêm de fusões de buracos negros, onde nenhum sinal de luz pode ser visto.

O estudo das sirenes escuras, ou eventos onde nenhum sinal de luz acompanha as ondas gravitacionais, levou a várias técnicas pra estimar suas distâncias. Uma dessas técnicas envolve usar a massa das estrelas de nêutrons pra inferir sua distância com base em como suas massas aparecem pro observador. No entanto, essa técnica tem limitações porque a distribuição exata das massas das estrelas de nêutrons ainda é incerta.

Diante desses desafios, um novo método chamado método de atraso de tempo imediato foi proposto. Esse método visa fornecer uma forma indireta de medir o desvio para vermelho das fontes de ondas gravitacionais associadas a breves estouros de raios gama, mesmo quando a galáxia hospedeira é desconhecida. Esse é um dos principais focos do estudo, que explora como os Atrasos de Tempo entre a emissão das ondas gravitacionais e dos estouros de raios gama podem ser usados pra derivar parâmetros cósmicos importantes.

Os pesquisadores descrevem a expansão cósmica usando um modelo específico, ligando-a aos atrasos de tempo observados entre ondas gravitacionais e estouros de raios gama. Eles estimam como medir a constante de Hubble e a velocidade das ondas gravitacionais enquanto lidam com as incertezas inerentes a essas medições.

O artigo também analisa diferentes cenários simulando potenciais observações de futuros detectores de ondas gravitacionais. Eles consideram dois tipos de detectores futuros: um esperado em breve e outro sistema mais avançado que estará operacional mais tarde. O objetivo é entender quantas observações de eventos de ondas gravitacionais e estouros de raios gama são necessárias pra fazer medições precisas da expansão cósmica e da gravidade.

Enquanto simulam essas observações, os pesquisadores esperam ver uma variedade de resultados para as distâncias e atrasos de tempo entre os dois tipos de sinais. Eles ilustram como isso pode levar a diferentes estimativas dos parâmetros cósmicos.

Pra dar um contexto pro método, os autores explicam as relações entre a expansão cósmica, desvio pra vermelho (uma medida de quanto o universo se expandiu) e os atrasos de tempo entre os sinais. Eles mostram como usar uma estrutura estatística pra analisar essas relações e inferir parâmetros vitais.

No seu quadro teórico, os pesquisadores descrevem como a expansão cósmica é modelada e como a distância de luminosidade interage com o desvio pra vermelho. Eles definem um atraso de tempo como a diferença de tempo entre o sinal da onda gravitacional e o estouro de raios gama. Esse atraso de tempo pode ser positivo se o estouro de raios gama ocorrer depois das ondas gravitacionais ou negativo se acontecer antes.

Entender esses atrasos de tempo pode ajudar os pesquisadores a descobrir quão rápido as ondas gravitacionais estão se propagando em relação à velocidade da luz. Eles incluem gráficos pra mostrar como esses atrasos de tempo observados podem variar com o desvio pra vermelho e quais implicações isso tem pra medir distâncias cósmicas.

Os autores também criaram modelos de possíveis eventos de estrelas de nêutrons binárias, que incluem características como suas massas e os ângulos em que são observadas. Eles simulam como esses eventos podem ser detectados pelos detectores de ondas gravitacionais e como os estouros de raios gama associados apareceriam.

Em termos de detecção, eles estabelecem critérios pra quando um evento pode ser considerado "visto" ao observar a intensidade do sinal e as características das ondas gravitacionais e dos estouros. Isso também envolve prever a probabilidade de detectar tais eventos com base em certos modelos estatísticos.

À medida que os autores simulam mais eventos e coletam dados, eles avaliam quão bem podem estimar parâmetros como a constante de Hubble e as características da distribuição dos atrasos de tempo. Eles analisam como a precisão das medições melhora com mais dados e técnicas de observação melhores.

Os resultados mostram uma gama de possíveis resultados baseados no número de detecções e nas propriedades dos eventos. Eles ilustram como, com futuros detectores, pode ser possível medir a velocidade da gravidade e a distribuição dos atrasos de tempo com precisão maior do que os métodos atuais permitem.

Os autores concluem que o método proposto tem o potencial de criar insights significativos sobre a natureza da gravidade e da expansão cósmica. Eles enfatizam que mesmo com um número limitado de eventos detectados, medições úteis ainda podem ser obtidas, abrindo caminho para futuros estudos no campo da astronomia de múltiplos mensageiros.

No geral, os achados sugerem que essa nova abordagem pode informar muito a nossa compreensão do cosmos e das leis fundamentais que o governam. A pesquisa fornece um roteiro para futuros experimentos e campanhas de observação que podem ajudar a desvendar os mistérios da gravidade e da expansão do universo.