Os pesquisadores conduziram um experimento de 16 anos para desafiar a teoria geral da relatividade de Einstein. A equipe internacional observou as estrelas – um par de estrelas extremas chamadas pulsares – através de sete radiotelescópios ao redor do mundo. Crédito: Instituto Max Planck de Radioastronomia
Já se passaram mais de cem anos desde que Einstein formalizou sua teoria da relatividade geral (GR), a teoria geométrica da gravidade que revolucionou nossa compreensão do universo. No entanto, os astrônomos ainda são submetidos a testes rigorosos, na esperança de encontrar desvios dessa teoria bem estabelecida. A razão é simples: qualquer indicador de física além da GR abriria novas janelas no universo e ajudaria a resolver alguns dos mistérios mais profundos sobre o universo.
Um dos testes mais rigorosos de todos os tempos foi realizado recentemente por uma equipe internacional de astrônomos liderada por Michael Kramer do Instituto Max Planck de Radioastronomia (MPIfR) em Bonn, Alemanha. Usando sete radiotelescópios de todo o mundo, Kramer e seus colegas observaram um par único de pulsares por 16 anos. No processo, eles observaram os efeitos previstos pelos GRs pela primeira vez, e com saúde Pelo menos 99,99%!
Além dos pesquisadores do MPIfR, Kramer e seus colegas se juntaram a pesquisadores de instituições em dez países diferentes – incluindo o Jodrell Bank Center for Astrophysics (Reino Unido), o ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Detection (Austrália) e o Ocean Instituto. Para Física Teórica (Canadá), Observatório de Paris (França), Osservatorio Astronomico di Cagliari (Itália), Observatório de Radioastronomia da África do Sul (SARAO), Instituto Holandês de Radioastronomia (ASTRON) e Observatório de Arecibo.
Os pulsares são estrelas de nêutrons que giram rapidamente e emitem feixes estreitos de ondas de rádio. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA
Os “pulsares de rádio” são uma classe especial de estrelas de nêutrons que giram rapidamente e são altamente magnéticas. Esses objetos ultradensos emitem poderosos feixes de rádio de seus pólos que (quando combinados com sua rápida rotação) criam um poderoso efeito semelhante a um farol. Os astrônomos são fascinados por pulsares porque eles fornecem uma riqueza de informações sobre a física que governa objetos ultrapequenos, campos magnéticos, o meio interestelar (ISM), física planetária e até cosmologia.
Além disso, as intensas forças gravitacionais permitem que os astrônomos testem previsões feitas por teorias gravitacionais como GR e Dinâmica Newtoniana Modificada (MOND) sob algumas das condições mais severas imagináveis. Para seu estudo, Kramer e sua equipe examinaram o PSR J0737-3039 A/B, um sistema de “estrela dupla” localizado a 2.400 anos-luz da Terra em Filhotes de Constelação.
Este sistema é o único rádio pulsar binário de todos os tempos e foi descoberto em 2003 por membros da equipe de pesquisa. Os dois pulsares que compõem este sistema têm revoluções rápidas – 44 vezes por segundo (A), uma vez a cada 2,8 segundos (B) – e orbitam um ao outro por apenas 147 minutos. Embora seja cerca de 30% maior que o Sol, tem apenas cerca de 24 km (15 milhas) de diâmetro. Daí sua intensa gravidade e intensos campos magnéticos.
Além dessas propriedades, o período orbital rápido desse sistema o torna um laboratório quase perfeito para testar teorias gravitacionais. Como disse o professor Kramer em um recente comunicado de imprensa do MPIfR:
“Estudamos um sistema de estrelas comprimidas e somos um laboratório incomparável para testar teorias da gravidade na presença de campos gravitacionais muito fortes. Para nossa alegria, pudemos testar a pedra angular da teoria de Einstein, a energia que ela carrega ondas gravitacionais, com uma precisão 25 vezes melhor do que a do pulsar Hulse-Taylor, vencedor do Prêmio Nobel, e 1.000 vezes melhor do que o que é atualmente possível com detectores de ondas gravitacionais.”
Impressão artística da trajetória da estrela S2 passando perto de Sagitário A*, que também permite que os astrônomos testem previsões feitas pela relatividade geral sob condições extremas. Crédito: ESO/M. Kornmeiser
Sete radiotelescópios foram usados para a campanha de observação de 16 anos, incluindo Parkes Radio Telescope (Austrália), Green Bank Telescope (EUA), Nansai Radio Telescope (França), Eiffelberg 100m Telescope (Alemanha), Lovell Radio Telescope (Kingdom United), Westerbork Synthesis Radio Telescope (Holanda) e Very Long Core Array (EUA).
Esses observatórios cobriam diferentes partes do espectro de rádio, variando de 334 MHz e 700 MHz a 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz e 2520 MHz. Ao fazer isso, eles puderam ver como os fótons vindos desse pulsar binário foram afetados por sua forte gravidade. Como a professora Ingrid Stiers da University of British Columbia (UBC) em Vancouver, coautora do estudo, explicou:
“Seguimos a propagação de fótons de rádio emitidos por um farol cósmico, um pulsar, e traçamos seu movimento no forte campo gravitacional de um pulsar companheiro. tempo em torno de um companheiro, mas também que a luz é desviada por um pequeno ângulo de 0,04 graus. Podemos sua descoberta. Tal experimento nunca havia sido feito antes em uma curvatura tão alta do espaço-tempo.
Como o co-autor Professor Dick Manchester, da Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) da Austrália, acrescentou, o rápido movimento orbital de objetos compactos como esses permitiu que eles testassem sete previsões diferentes sobre GR. Estes incluem ondas gravitacionais, propagação da luz (“atraso de Shapiro e curvatura da luz), dilatação do tempo e a equação massa-energia (E = mc).2), e qual é o efeito da radiação eletromagnética no movimento orbital de um pulsar.
O Telescópio Robert C. Bird Green Bank (GBT) na Virgínia Ocidental. Crédito: GBO/AUI/NSF
“Esta radiação é equivalente a uma perda coletiva de 8 milhões de toneladas por segundo!” Ele disse. “Embora isso pareça muito, é uma pequena fração – 3 partes por mil bilhões (!) – da massa de um pulsar por segundo.” Os pesquisadores também fizeram medições muito precisas de mudanças na orientação orbital dos pulsares, um efeito relativístico observado pela primeira vez com a órbita de Mercúrio – e um dos mistérios que a teoria da GR de Einstein ajudou a resolver.
Só aqui, o efeito foi 140.000 vezes mais forte, levando a equipe a perceber que eles também precisavam considerar o efeito da rotação do pulsar no espaço-tempo circundante – também conhecido como. Efeito Lense-Thirring, ou “arraste o quadro”. Dr. Norbert Weeks do MPIfR, outro autor principal do estudo, também permitiu outro avanço:
“Isso significa em nossa experiência que precisamos considerar a estrutura interna de um pulsar como um Estrêla de Neutróns. Portanto, nossas medições nos permitem pela primeira vez usar o rastreamento preciso dos ciclos de estrelas de nêutrons, uma técnica que chamamos de tempo de pulsar para fornecer restrições à extensão da estrela de nêutrons.”
Outro resultado valioso desse experimento foi como a equipe combinou técnicas de monitoramento complementares para obter medições de distância de alta precisão. Estudos semelhantes muitas vezes foram prejudicados por estimativas de distância ruins no passado. Ao combinar a tecnologia de temporização pulsar com medições precisas de interferometria (e efeitos ISM), a equipe obteve um resultado de alta resolução de 2.400 anos-luz com uma margem de erro de 8%.
Ilustração artística de duas estrelas de nêutrons em fusão. Os feixes estreitos representam uma explosão de raios gama, enquanto a rede ondulante do espaço-tempo denota as ondas gravitacionais opostas que caracterizam a fusão. Crédito: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonet
No final, não apenas os resultados da equipe foram consistentes com o GR, mas também foram capazes de ver efeitos que não poderiam ter sido estudados antes. Como Paulo Freire, outro coautor do estudo (também do MPIfR) expressou:
“Nossos resultados complementam bem outros estudos experimentais que testam a gravidade em outras condições ou observam efeitos diferentes, como detectores de ondas gravitacionais ou o Event Horizon Telescope. , que forneceu um teste independente (e fascinante) da universalidade da queda livre.”
“Atingimos um nível de precisão sem precedentes”, concluiu o professor Kramer. Experimentos futuros com telescópios maiores podem e continuarão a ir mais longe. Nosso trabalho mostrou a maneira como tais experimentos devem ser conduzidos e quais efeitos exatos precisam ser levados em consideração agora. Talvez um dia encontremos um desvio da relatividade geral.”
O artigo descrevendo sua pesquisa apareceu recentemente na revista X. revisão físicaE
Postado originalmente em universo hoje.
Para saber mais sobre esta pesquisa:
Referência: “Testes de gravidade de campo forte usando a estrela dupla” por M. Kramer et al. 13 de dezembro de 2021, X. revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041050
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