Estudo apresenta os desafios e as oportunidades para pesquisa de ondas gravitacionais de alta frequência

Detecção permitiria conhecer fases do Universo primordial que não são acessíveis à investigação por meio de ondas eletromagnéticas. E eventualmente abriria caminho para uma nova física.

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Ondas eletromagnéticas e ondas gravitacionais são os dois únicos meios de que a humanidade dispõe para o estudo do Universo em larga escala. Mas, durante milênios, apenas o primeiro pôde ser utilizado: das observações astronômicas a olho nu realizadas pelos povos antigos, baseadas na recepção da luz visível, aos supertelescópios atuais, operando em várias faixas do espectro eletromagnético: de rádio a raio gama. Efeitos gravitacionais foram inferidos pelo movimento relativo dos astros.

Porém a primeira medição direta de ondas gravitacionais ocorreu apenas em 2015, por meio das colaborações LIGO e VIRGO. Como enfatizou a mídia na época, o feito abriu uma janela totalmente nova para a investigação do Universo (Para mais informações acesse https://agencia.fapesp.br/22670/).

Até o momento, essa janela foi explorada com sucesso, com detecções afirmadas, apenas em uma faixa relativamente estreita de frequências, variando de 10 hertz (10 Hz) a 10 quilohertz (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, Itália, em 2019, antes da pandemia. As reflexões intercambiadas nesse workshop bem como a revisão de toda a literatura sobre o tema foram agora sistematizadas e publicadas no artigo “Challenges and opportunities of gravitational-wave searches at MHz to GHz frequencies”, que contou com a participação de Odylio Denys de Aguiar, pesquisador titular do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe).

A iniciativa recebeu apoio da FAPESP por meio de Auxílio Regular à Pesquisa e de Projeto Temático que teve Aguiar como pesquisador responsável.

“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”, diz Aguiar.

Como ressalta o artigo agora publicado, “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”.

Entre os objetos astrofísicos exóticos, o artigo menciona buracos negros primordiais e estrelas de bósons. E, na categoria de eventos cosmológicos no Universo primitivo, inclui transições de fase, flutuações térmicas e cordas cósmicas, entre outros. São formulações teóricas que eventuais detecções permitirão confirmar, corrigir ou descartar.

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. Analogamente, a detecção de ondas gravitacionais de frequências superiores a 10 quilohertz escancararia a nova janela aberta para o Universo.

“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”, afirma Aguiar.

A grande dificuldade para essa detecção, segundo o pesquisador, 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 do website, 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”, explica.

Nenhuma das várias propostas compiladas no artigo atinge atualmente a sensibilidade necessária. Na melhor das hipóteses, elas alcançam patamares de sensibilidade seis ordens de magnitude menores. Mas o artigo lembra que, menos de 50 anos atrás, Kip Thorne, que foi um dos grandes precursores do estudo de ondas gravitacionais, havia dito, juntamente com seu orientador John Archibald Wheeler e seu colega 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.

O artigo “Challenges and opportunities of gravitational-wave searches at MHz to GHz frequencies” pode ser lido em https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs41114-021-00032-5#article-info.