A Busca da NANOGrav por Ondas Gravitacionais

As Ondas Gravitacionais são ondulações no espaço e no tempo causadas por alguns dos eventos mais poderosos do universo, como a colisão de buracos negros. Essas ondas viajam à velocidade da luz e podem esticar e comprimir o espaço conforme passam. Os cientistas estão a fim de estudá-las porque podem revelar informações sobre o universo que outros métodos não conseguem.

#A Colaboração NANOGrav

O Observatório Norte-Americano de Nanohertz para Ondas Gravitacionais (NANOGrav) é um projeto de longo prazo que foca em detectar ondas gravitacionais de baixa frequência usando uma rede de Pulsares de milissegundos. Esses são estrelas super estáveis que giram rapidamente e emitem feixes de ondas de rádio. Monitorando esses pulsares, os pesquisadores conseguem detectar as pequenas mudanças nos Tempos deles, que podem indicar a presença de ondas gravitacionais.

Nos últimos 15 anos, o NANOGrav coletou uma tonelada de dados. Os cientistas analisaram esses dados em busca de sinais de ondas gravitacionais de Binários de Buracos Negros supermassivos, que são pares de buracos negros que orbitam um ao outro.

#O Conjunto de Dados de 15 Anos

O conjunto de dados de 15 anos do NANOGrav inclui observações de 68 pulsares. Os dados coletados vão de julho de 2004 a agosto de 2020. Apesar de o tempo de observação ser maior que 15 anos, eles chamam de "conjunto de dados de 15 anos" porque nenhum pulsar teve observações que ultrapassassem 16 anos.

#Busca por Binários de Buracos Negros Individuais

Os pesquisadores estão interessados em encontrar binários de buracos negros individuais que possam emitir ondas gravitacionais detectáveis. Para fazer isso, eles usaram técnicas analíticas avançadas para melhorar a precisão de suas buscas. O objetivo é encontrar sinais fracos nos dados barulhentos coletados dos pulsares.

A busca revelou dois sinais possíveis, um em uma baixa frequência de cerca de 4 nanohertz (nHz) e outro em uma frequência mais alta em torno de 170 nHz. No entanto, as evidências para o sinal de baixa frequência se tornaram menos significativas ao considerar certas correlações entre os pulsares, e o sinal de alta frequência foi considerado menos provável devido à ausência de uma galáxia hospedeira plausível.

#A Importância do Tempo de Pulsar

O tempo dos pulsares é crucial para detectar ondas gravitacionais. Quando uma onda gravitacional passa, pode alterar levemente o tempo dos sinais dos pulsares. Medindo essas alterações no tempo, os cientistas podem inferir a presença de ondas gravitacionais. O projeto NANOGrav usa dados de vários pulsares para aumentar as chances de detectar esses sinais fracos.

#Métodos de Análise de Dados

Os métodos desenvolvidos para análise de dados envolvem técnicas estatísticas complexas. Os pesquisadores aplicam essas técnicas para modelar os resíduos de tempo de cada pulsar. Eles distinguem entre o ruído normal nos dados e os potenciais sinais de ondas gravitacionais. Ferramentas de software avançadas ajudam a agilizar os cálculos, permitindo um processamento de dados mais rápido e eficiente.

#Os Resultados da Busca

Durante a análise, alguns candidatos mostraram leve apoio por serem sinais genuínos de binários de buracos negros. No entanto, a maioria dos sinais era fraca ou considerada improvável. A equipe estabeleceu limites na amplitude de tensão das ondas gravitacionais emitidas por esses sistemas. Isso significa que estabeleceram um limite abaixo do qual estão confiantes de que não existem sinais.

A frequência mais sensível medida foi em torno de 6 nHz, onde estabeleceram um limite superior significativo na amplitude de tensão. Isso ajuda os cientistas a entenderem melhor quantos binários de buracos negros podem existir no cosmos.

#Sensibilidade de Tempo e Espaço

A sensibilidade da busca do NANOGrav varia tanto com a frequência quanto com a localização no céu. A distribuição dos pulsares cria um buraco na sensibilidade para certas áreas. Essa sensibilidade desigual significa que algumas regiões são mais propícias para detectar sinais do que outras.

A equipe de pesquisa divulgou suas descobertas sobre como diferentes regiões do céu podem gerar diferentes limites superiores para a tensão das ondas gravitacionais.

#Entendendo Limites de Distância e Densidade Numérica

Os pesquisadores também avaliaram a distância até possíveis binários de buracos negros com base em suas descobertas. Ao assumir propriedades específicas sobre esses binários, calcularam distâncias mínimas nas quais as ondas gravitacionais poderiam ser detectáveis.

Além disso, usando os volumes de exclusão, os pesquisadores estabeleceram limites sobre quantos binários de buracos negros poderiam existir em um espaço determinado. Eles usaram métodos estatísticos para converter os volumes de exclusão em limites de densidade numérica, que expressam quantos binários podem estar presentes por unidade de volume.

#Impacto do Fundo de Ondas Gravitacionais

Os resultados deste estudo contribuem para a compreensão do fundo mais amplo de ondas gravitacionais (GWB). Acredita-se que esse fundo seja influenciado pelos sinais coletivos de muitos binários de buracos negros supermassivos. Ao buscar binários individuais, os cientistas podem melhorar seus modelos do GWB e obter insights sobre a população desses buracos negros.

#Direções Futuras

A busca por detectar ondas gravitacionais de binários individuais de buracos negros continua. O trabalho futuro visa refinar os algoritmos existentes, analisar conjuntos de dados maiores e melhorar as técnicas de modelagem de ruído. Confirmar a existência de binários individuais aprofundaria nosso conhecimento sobre o universo e o comportamento de buracos negros massivos.

#Conclusão

A pesquisa contínua do NANOGrav representa um avanço significativo na nossa compreensão das ondas gravitacionais e da estrutura do universo. À medida que mais dados forem coletados e analisados, a comunidade científica espera alcançar avanços no campo da astronomia de ondas gravitacionais. Isso pode levar à descoberta de novos buracos negros, aprimorar nossa compreensão dos já existentes e fornecer insights sobre como as galáxias e os buracos negros evoluem com o tempo.

Ao melhorar as técnicas de detecção e aproveitar os avanços da tecnologia, os pesquisadores estão otimistas sobre fazer descobertas significativas no reino das ondas gravitacionais.