Brasileiros criam universo simulado de ondas gravitacionais

Com o objetivo de antecipar o futuro da astronomia observacional, físicos brasileiros desenvolveram um universo artificial completo, preenchido por milhares de galáxias, para servir de laboratório digital a cientistas do mundo inteiro. O projeto, divulgado na revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, foi elaborado por pesquisadores da Universidade Estadual Paulista (Unesp) em parceria com colaboradores internacionais, criando um ambiente de testes voltado para a identificação de ondas gravitacionais.

Previstas por Albert Einstein em 1916 em sua teoria da Relatividade Geral, as ondulações no tecido do espaço-tempo causadas por eventos cósmicos colossais — como o choque de buracos negros e estrelas de nêutrons — só foram comprovadas experimentalmente um século depois, em anúncio feito no início de 2016. Desde então, a rede global formada pelos detectores LIGO, Virgo e KAGRA confirmou apenas 390 eventos. O volume ainda é considerado modesto pela comunidade científica diante dos milhares de sinais que cruzam o cosmos de forma contínua, gerando deformações diminutas na Terra, na escala de 10⁻¹⁸ metros.

Um salto tecnológico com novos instrumentos

Para superar os limites dos aparelhos atuais de segunda geração, novos projetos estão em desenvolvimento para a próxima década: o Einstein Telescope (ET), na Europa, e o Cosmic Explorer (CE), nos Estados Unidos. Esses novos observatórios de terceira geração prometem ter sensibilidade dez vezes superior à atual e registrar dezenas de milhares de ocorrências a cada ano. Para escapar de vibrações causadas por tráfego, ondas marinhas e movimentos do solo, o detector europeu será subterrâneo e contará com espelhos resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto.

Foi pensando nesse horizonte que surgiu o modelo computacional liderado pelo físico Ranier Menote, fruto inicial de seu doutorado na Universidade Federal do Espírito Santo (Ufes) e continuado em seu pós-doutorado no Instituto de Física Teórica da Unesp (IFT-Unesp).

“Não havia dados suficientes para fazer esse estudo. Esse foi um obstáculo inicial”, lembra o pesquisador ao detalhar a falta de informações reais para analisar a evolução cosmológica via ondas gravitacionais. A saída encontrada foi apostar no chamado forecast (projeção). “Vamos simular os dados de que a gente espera dispor daqui a muitos anos de observações”, explica Ranier.

A equipe reuniu dados teóricos, numéricos e observacionais para reproduzir três configurações distintas: pares de buracos negros, fusões de estrelas de nêutrons e sistemas mistos compostos por ambos. Cada evento computado tem parâmetros detalhados de rotação, massa, distância, orientação e localização espacial.

Cruzamento de galáxias e ondas cósmicas

O diferencial do trabalho nacional reside no fato de que as colisões não foram simuladas no vazio. Os cientistas atrelaram cada fenômeno a uma galáxia hospedeira presente no catálogo sintético CosmoDC2.

“Nós supomos que a fusão desses objetos não acontece no meio do nada, no vácuo intergaláctico”, conta Riccardo Sturani, orientador do pós-doutorado e pesquisador do IFT-Unesp e do 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.

Essa integração metodológica une dois pilares fundamentais da cosmologia. “Uma das primeiras formas de observar o universo é por meio das galáxias”, explica Sturani. “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.”

Enquanto a luz das galáxias fornece o redshift (o desvio para o vermelho provocado pelo afastamento espacial), a frequência e a amplitude das ondas gravitacionais revelam com precisão matemática a distância absoluta do evento cataclísmico e as massas em jogo.

“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.

Ele ressalta que essa abordagem pioneira fornece um alicerce prévio vital: “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. 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.

Integração com o Observatório Vera C. Rubin

O trabalho avaliou também a integração dos futuros detectores ao Legacy Survey of Space and Time (LSST), conduzido pelo telescópio do Observatório Vera C. Rubin, concebido para catalogar cerca de 38 bilhões de objetos celestes ao longo de uma década. O instrumento teve sua “primeira luz” em junho de 2025 e operações oficiais a partir de junho deste ano.

Mesmo com a chegada do Einstein Telescope e do Cosmic Explorer em meados de 2030, as instalações atuais de medição a laser continuarão essenciais. “Eles poderiam ser utilizados para melhorar a triangulação da fonte”, explica Ranier.

Caso os detectores de segunda e terceira gerações operem em conjunto com o LSST, as projeções apontam para o registro de aproximadamente 5 mil quilonovas (as contrapartidas luminosas geradas pela junção de estrelas de nêutrons) ao longo de 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.

A união das abordagens promete revolucionar o conhecimento humano nas próximas décadas. “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.