Em 2023, os físicos ficaram impressionados ao encontrar ondulações quase imperceptíveis no tecido do espaço e do tempo — unidas como uma entidade conhecida como espaço-tempo. Eram ondulações descobertas em associação com coleções de estrelas de nêutrons de rotação rápida chamadas “conjuntos de temporização de pulsares”.
Esse zumbido de fundo de baixa frequência de ondas gravitacionais no nosso universo foi originalmente atribuído a uma mudança, ou uma “transição de fase”, que ocorreu logo após a Big Bang. Novas pesquisas, no entanto, lançam dúvidas sobre essa suposição.
“Teóricos e experimentalistas especularam que as ondas gravitacionais de nanohertz se originaram de uma transição conhecida que ocorreu logo após o Big Bang — uma mudança que gerou a massas de todas as partículas fundamentais conhecidasAndrew Fowlie, professor assistente na Universidade Xi'an Jiaotong-Liverpool, disse em uma declaração. “No entanto, nosso trabalho revela sérios problemas com essa explicação atraente de sua origem.”
Transições de fase são mudanças repentinas nas propriedades de uma substância, e elas normalmente ocorrem quando uma substância em particular atinge uma temperatura crítica. A transição de fase talvez mais familiar para nós é a transição da água para o gelo quando as temperaturas caem abaixo de zero. Há também o que é conhecido como transições “super-resfriadas”. Com a água, uma transição super-resfriada ocorre quando a substância fica “presa” em sua fase líquida, retardando sua transformação em gelo.
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Muitos cientistas acreditam que uma “transição de fase de primeira ordem” ocorreu bem no começo dos tempos, desencadeando o lançamento de ondas gravitacionais, ou ondulações no espaço-tempo. Essas ondas, pensam os especialistas, poderiam, portanto, ser usadas para determinar as condições presentes durante a primeira época de inflação rápida em nosso universo, ou talvez até mesmo as condições presentes antes do Big Bang.
Só uma fase?
O conceito de ondas gravitacionais remonta à teoria da gravidade de Albert Einstein de 1915, chamada “relatividade geral.” A teoria da magnum opus do grande físico prevê que objetos com massa têm um efeito de deformação no próprio tecido do espaço-tempo. Nossa experiência física da gravidade, afirma a teoria, surge dessa deformação.
A relatividade geral vai além disso, sugerindo também que quando os objetos aceleram, eles geram ondulações no espaço-tempo — também conhecidas como ondas gravitacionais. Embora esse fenômeno seja insignificante quando se trata da aceleração de objetos em uma escala que vemos na Terra, o efeito se torna significativo quando a aceleração envolve objetos cósmicos massivos, como buracos negros supermassivos e estrelas de nêutrons.
Por exemplo, quando esses objetos existem em sistemas binários — ou seja, dois deles aceleram constantemente um em torno do outro — eles emitem ondas gravitacionais continuamente até que finalmente colidem e emitem um “guincho” agudo dessas ondulações.
Além disso, as ondas gravitacionais, como radiação eletromagnéticavêm em uma faixa de frequências. Ondas gravitacionais de alta frequência, como a luz de alta frequência, têm comprimentos de onda mais curtos e são mais energéticas; ondas gravitacionais de baixa frequência têm comprimentos de onda mais longos e são menos energéticas. Ondas gravitacionais de onda longa de baixa frequência também têm “períodos” longos, que se referem ao tempo entre um pico da onda passando por um ponto definido até o próximo pico passando por esse ponto.
As ondas gravitacionais detectadas pelo conjunto de pulsares do Observatório Nanohertz de Ondas Gravitacionais da América do Norte (NANOGrav) em junho de 2023 são de frequência mais baixa do que as ondas gravitacionais vistas vindas de fusões de buracos negros supermassivos e estrelas de nêutrons, rotineiramente detectadas pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO), VIRGO e KAGRA.
Isso significa que deve haver uma fonte diferente para essas ondas gravitacionais nanohertz de baixa frequência. O principal suspeito? Uma transição de fase logo após o Big Bang — uma superfria, para ser exato.
“Descobrimos que, para criar ondas com frequências tão pequenas, a transição teria que ser superfria”, explicou Fowlie.
No entanto, há um problema. Tais fases de transição super-resfriadas cósmicas seriam um pouco inesperadas durante o período de rápida inflação cósmica (em outras palavras, a expansão do universo) desencadeada pelo Big Bang.
“Essas transições lentas teriam dificuldade para terminar, pois a taxa de transição é mais lenta do que a taxa de expansão cósmica do universo”, disse Fowlie. “E se a transição acelerasse no final? Calculamos que, mesmo que isso ajudasse a transição a terminar, mudaria a frequência das ondas para longe dos nanohertz.”
O pesquisador também acrescentou que, embora as ondas gravitacionais de nanohertz sejam frias, elas provavelmente não são “superfrias” em sua origem.
“Se essas ondas gravitacionais vêm de transições de fase de primeira ordem, agora sabemos que deve haver alguma física nova e muito mais rica acontecendo — uma física que ainda não conhecemos”, disse Fowlie.
Fowlie e colegas acreditam que sua pesquisa demonstra que é necessário mais cuidado para entender as transições de fase superfria, especialmente aquelas que podem ter ocorrido no início do universo.
“Como essas são necessariamente transições lentas, as simplificações usuais de se as transições se completam ou não não funcionarão”, ele disse. “Há muitas sutilezas nas conexões entre a escala de energia das transições e a frequência das ondas, então precisamos de técnicas mais cuidadosas e sofisticadas ao considerar ondas gravitacionais e transições superfrias.
“Compreender esse campo nos ajudará a entender as questões mais fundamentais sobre a origem do universo.”
Uma melhor compreensão das transições de fase superfria também poderia ajudar a entender transições de fase mais terrestres e menos cósmicas.
“Ele também tem links para aplicações mais próximas, como entender como a água flui através de uma rocha, as melhores maneiras de filtrar café e como os incêndios florestais se espalham”, concluiu Fowlie.
A pesquisa da equipe é discutida em um artigo publicado na revista Cartas de revisão física.
Postado originalmente em Espaço.com.
