LISA e a descoberta de novos campos fundamentais

Um novo estudo publicado na Nature Astronomy, realizado por uma equipe de pesquisadores da Universidade Sapienza de Roma, em colaboração com o Instituto de Ciências Gran Sasso, a Escola Internacional de Estudos Avançados e a Universidade de Nottingham, sugere uma nova abordagem para verificar a teoria da relatividade geral graças ao LISA, o detector de ondas gravitacionais baseado no espaço que será lançado como uma missão ESA-NASA em 2037.

A Relatividade Geral de Einstein é a teoria correta para fenômenos gravitacionais? Esses fenômenos podem ser usados ​​para descobrir novos campos fundamentais?

No artigo publicado hoje na Nature Astronomy , Leonardo Gualtieri, Susanna Barsanti e Paolo Pani, do Departamento de Física da Universidade Sapienza de Roma, juntamente com pesquisadores do Instituto de Ciências Gran Sasso (GSSI), da Escola Internacional de Estudos Avançados (sigla em italiano SISSA) e da Universidade de Nottingham, mostram que observações de ondas gravitacionais pela Antena Espacial de Interferômetro Laser (LISA) serão capazes de revelar a presença de novos campos fundamentais com grande precisão.

Novos campos fundamentais associados à gravidade, particularmente campos escalares, formam a base de modelos teóricos desenvolvidos para explicar vários cenários físicos. Eles poderiam, por exemplo, fornecer pistas sobre a expansão acelerada do Universo ou sobre a matéria escura ou ser manifestações de baixa energia de uma descrição consistente e completa da gravidade e das partículas elementares.

Até o momento, observações de objetos astrofísicos caracterizados por campos gravitacionais fracos e pequenas curvaturas espaço-temporais não mostraram nenhuma indicação da existência desses campos. Entretanto, vários modelos sugerem que desvios da Relatividade Geral, ou interações entre gravidade e novos campos, são mais relevantes quando a curvatura do espaço-tempo é muito grande. Por essa razão, a observação de ondas gravitacionais — que abriu uma nova janela para o regime de campo gravitacional forte — representa uma oportunidade única para descobrir novos campos fundamentais.

O LISA, detector de ondas gravitacionais baseado no espaço desenvolvido para observar ondas gravitacionais de fontes astrofísicas, permitirá estudar novas famílias de fontes astrofísicas, diferentes daquelas observadas por Virgo e LIGO, como as Extreme Mass Ratio Inspirals (EMRI).

Os EMRIs, sistemas binários nos quais um objeto compacto de massa estelar - um buraco negro ou estrela de nêutrons - orbita um buraco negro milhões de vezes maior que o nosso Sol, estão de fato entre as fontes que se espera observar com o LISA e representam uma arena preciosa para estudar o regime de campo gravitacional forte . O menor corpo em um EMRI completa dezenas de milhares de ciclos orbitais antes de cair no buraco negro supermassivo, emitindo assim sinais de longa duração que nos permitem medir até os menores desvios das previsões da teoria de Einstein e do Modelo Padrão de Partículas.

Os autores do estudo desenvolveram uma nova abordagem para modelar o sinal emitido por EMRIs, estudando rigorosamente pela primeira vez se e como o LISA pode detectar a existência de campos escalares acoplados à interação gravitacional e medir a carga escalar, uma quantidade que quantifica o campo associado ao menor corpo no sistema binário.

A abordagem recentemente desenvolvida é "agnóstica" em relação à teoria que prevê a existência do campo escalar, uma vez que não depende da origem da carga ou da natureza do objeto compacto. A análise também mostra como futuras medições de carga escalar podem ser traduzidas em restrições muito rígidas sobre desvios da Relatividade Geral ou do Modelo Padrão.

A LISA, que começará como uma missão ESA-NASA em 2037, operará em órbita ao redor do Sol , em uma constelação de três satélites separados por milhões de quilômetros, observando ondas gravitacionais emitidas em baixas frequências em uma banda não acessível aos interferômetros terrestres devido ao ruído ambiente. O espectro visível do LISA abrirá uma nova janela para a evolução de objetos compactos em uma ampla variedade de sistemas astrofísicos em nosso Universo.

Referências:
Detectando campos fundamentais com observações LISA de ondas gravitacionais de espirais de razão de massa extrema - Andrea Maselli, Nicola Franchini, Leonardo Gualtieri, Thomas P. Sotiriou, Susanna Barsanti, Paolo Pani - Nature Astronomy

https://doi.org/10.1038/s41550-021-01589-5
https://www.uniroma1.it/en/notizia/lisa-and-discovery-new-fundamental-fields