Gravitational waves from strong first-order phase transitions in an expanding Universe

Nos momentos mais primordiais do nosso universo, apenas frações de segundo após o Big Bang, o cosmos não era a expansão suave e resfriada que vemos hoje. Em vez disso, era uma sopa fervilhante e superaquecida de energia e partículas passando por uma transformação dramática. Assim como a água se transformando em gelo, os campos fundamentais da natureza podem mudar de um estado para outro. Quando essa mudança ocorre de forma súbita e violenta, em vez de gradual, ela é chamada de transição de fase de primeira ordem. Durante esses eventos, bolhas do novo estado estável da matéria começam a se formar dentro do antigo estado instável. À medida que essas bolhas se expandem e eventualmente colidem umas com as outras, elas agitam o fluido cósmico com uma força imensa. Esse agito violento cria ondulações no próprio tecido do espaço e do tempo, conhecidas como ondas gravitacionais. Embora essas ondas sejam muito fracas para serem sentidas pelas mãos humanas, elas carregam uma assinatura única da infância do universo. Hoje, instrumentos poderosos estão sendo construídos para escutar esses sussurros do amanhecer do tempo, esperando decodificar a história de como o nosso universo tomou forma.

Uma equipe de pesquisadores deu agora um passo significativo em direção à compreensão de como exatamente essas ondas gravitacionais deveriam soar. Ao executar simulações computacionais tridimensionais complexas do universo primordial, eles modelaram como essas transições de fase violentas se desenrolam conforme o cosmos se expande. O trabalho deles foca em um cenário específico onde a transição é forte e as bolhas da nova matéria crescem lentamente o suficiente para interagir profundamente com o fluido circundante. Os cientistas descobriram que a fonte primária das ondas gravitacionais não é a colisão inicial das próprias bolhas, como algumas teorias anteriores sugeriram, mas sim as poderosas ondas sonoras que ondulam através do fluido após as bolhas se fundirem. Essas ondas sonoras dominam o sinal, criando um padrão distinto que é muito mais alto e significativo do que o ruído dos choques das bolhas.

As simulações revelaram uma estrutura surpreendente nas ondas gravitacionais produzidas por essas ondas sonoras. Em vez de uma curva única e suave, o sinal exibe dois picos distintos. Um pico corresponde à distância média entre as bolhas quando elas se formaram, enquanto o outro relaciona-se com a espessura da camada de fluido empurrada para fora pelas bolhas em expansão. Essa característica de pico duplo atua como uma impressão digital, oferecendo uma maneira para que futuros telescópios identifiquem as condições específicas do universo primitivo. Os pesquisadores também descobriram que a força da transição de fase dita quanto tempo essas ondas sonoras duram. Para transições mais fracas, as ondas sonoras podem persistir por mais tempo do que o tempo necessário para o universo dobrar de tamanho, ao passo que, para as transições mais violentas, a energia se dissipa mais rapidamente. Além disso, as colisões violentas geram movimentos de rotação, ou modos rotacionais, dentro do fluido, e a intensidade desses redemoinhos cresce com a força da transição.

O estudo também comparou duas maneiras diferentes de as bolhas se expandirem: como detonações, que se movem mais rápido do que a velocidade do som no fluido, e como deflagrações, que se movem mais devagar. Os resultados mostraram que as ondas gravitacionais provenientes de deflagrações têm uma queda muito mais acentuada em altas frequências em comparação com aquelas de detonações. Essa diferença na forma do sinal é crucial para distinguir entre diferentes tipos de eventos cósmicos. Adicionalmente, os pesquisadores descobriram que, quando levaram em conta a expansão do universo, a força geral das ondas gravitacionais foi cerca de dez vezes mais fraca do que o previsto por simulações anteriores que ignoravam essa expansão. Essa correção é vital para prever com precisão o que futuros detectores, como o Laser Interferometer Space Antenna, realmente observarão. Ao refinar nossa compreensão desses eventos cósmicos, o trabalho nos aproxima de ouvir a verdadeira história do nascimento violento do universo.