Até mesmo a imensa escuridão de um buraco negro obedece à teoria de Einstein, mostra estudo

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Simulação mostrando o plasma girando em torno do M87*. Créditos: L. Medeiros / C. Chan / D. Psaltis / F. Özel / UArizona / IAS.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

A relatividade geral é uma das teorias mais fortes que existe. Testes após testes foram feitos para ver se ela tinha força e, sim, ela simplesmente continua firme e forte. Mesmo assim, permanece o espaço para explorarmos ainda mais. Embora os resultados desses testes tenham sido consistentes com a relatividade geral, eles também falharam em descartar uma série de versões modificadas oferecidas como alternativas.

Agora, o buraco negro supermassivo no coração de uma galáxia a 55 milhões de anos-luz de distância deu à relatividade seu teste mais rigoroso até então. Sim, é o M87*, o buraco mais fotogênico do Universo, e a colaboração do Event Horizon Telescope sondou a região ao redor dele para tornar a teoria da relatividade geral 500 vezes mais robusta, inacreditavelmente.

Embora a relatividade geral seja ótima para prever e compreender as interações gravitacionais, é matematicamente incompatível com a mecânica quântica; as regras que nos ajudam a fazer modelos de interações não gravitacionais entre objetos.

Isso levou os cientistas a buscar modificações e até mesmo alternativas à relatividade geral. O objetivo é uma teoria unificada que descreve todas as forças da mesma maneira. Portanto, quaisquer modificações propostas às teorias atuais visando fazer isso, embora falhem em ser consistentes com o que vemos na vida real, devem chegar a altura dessas teorias.

“Esperamos que uma teoria da gravidade completa seja diferente da relatividade geral, mas há muitas maneiras de modificá-la”, explicou o astrofísico Dimitrios Psaltis, da Universidade do Arizona (EUA).

“Descobrimos que qualquer que seja a teoria correta, ela não pode ser significativamente diferente da relatividade geral quando se trata de buracos negros. Nós realmente reduzimos o espaço de possíveis modificações”.

Quando os cientistas obtiveram, pela primeira vez, a imagem da sombra de um buraco negro e um anel de material quente girando em torno dele, isso nos deu novas maneiras de testar a relatividade geral. Um delas seria pelo tamanho da sombra.

Essa sombra é a região escura no centro da massa de material em um turbilhão, definida pelo horizonte de eventos – o ponto em que mesmo a velocidade da luz é insuficiente para atingir a velocidade de escape da atração gravitacional do buraco negro. Isso significa que nenhuma luz pode brilhar de um buraco negro. Como o efeito é gravitacional, o tamanho da região pode ser previsto pela relatividade geral.

M87* é um buraco negro supermassivo que em escalas cósmicas tem 6,5 bilhões de vezes a massa do Sol. A matemática da relatividade geral pode usar essa massa para prever um tamanho muito preciso do vazio escuro, ou sombra, onde a luz não consegue escapar.

Quando a imagem do buraco negro foi obtida pela primeira vez, este foi um dos primeiros testes realizados – e, claro, o tamanho da sombra era o previsto.

“Naquela época, não éramos capazes de fazer a pergunta oposta: quão diferente pode uma teoria da gravidade ser da relatividade geral e ainda ser consistente com o tamanho da sombra?” disse o astrofísico Pierre Christian, da Universidade do Arizona (EUA). “Nós nos perguntamos se havia algo que pudéssemos fazer com essas observações a fim de selecionar algumas das alternativas”.

A relatividade geral passou por vários testes no Sistema Solar. A forma como a orientação da órbita de Mercúrio muda em torno do Sol foi um. A forma como a luz das estrelas se curva ao longo da curvatura do espaço-tempo em torno de um objeto massivo como o Sol foi outro. Medições precisas das distâncias entre planetas foram ainda outros.

Várias modificações na relatividade geral também passaram nos testes do Sistema Solar. Portanto, a equipe coletou essas modificações baseadas no Sistema Solar para testar no M87*. Em vez de realmente testar cada um como um todo nas observações, para cada teoria alternativa da gravidade, a equipe identificou as características únicas que preveem a sombra de um buraco negro.

Isso permitiu que a equipe identificasse se a teoria é consistente com as observações do Event Horizon Telescope do M87* sem a necessidade de pensar em outros detalhes irrelevantes. E isso permitiu que eles efetivamente descartassem algumas das modificações propostas para a relatividade geral.

“Usando o medidor que desenvolvemos, mostramos que o tamanho medido da sombra do buraco negro em M87* restringe o espaço para modificações na teoria da relatividade geral de Einstein em um fator de quase 500, em comparação com testes anteriores no sistema solar”, disse o astrofísico Feryal Özel, da Universidade do Arizona (EUA).

“Muitas maneiras de modificar a relatividade geral falham neste novo e mais rígido teste de sombra de buraco negro”.

Isso não significa que a relatividade geral não possa ser quebrada, e a busca para fazer isso continua – não porque os astrofísicos odeiem a relatividade geral, mas porque cada teste fornece novas restrições e novas ferramentas para o próximo teste – esperançosamente nos levando cada vez mais perto de resolver as diferenças entre relatividade geral e mecânica quântica.

Então, a relatividade geral não foi refutada no campo gravitacional mais forte em que foi testado – e ao descartar certas alternativas, os resultados da equipe nos mostram onde podemos parar de procurar uma resposta.

“Sempre dizemos que a relatividade geral passou em todos os testes com louvor – se eu ganhasse um centavo por cada vez que ouço isso”, disse Özel.

“Mas é verdade, quando você faz certos testes, não vê os resultados se desviando do que a relatividade geral prevê. O que estamos dizendo é que, embora tudo isso esteja correto, pela primeira vez temos um medidor diferente pelo qual podemos fazer um teste 500 vezes melhor, e esse medidor é o tamanho da sombra de um buraco negro. “

O Event Horizon Telescope está cada vez mais forte. Três novos telescópios recentemente se juntaram à matriz global, e uma nova operação de observação será realizada no próximo ano. Esperançosamente, isso fornecerá imagens de resolução ainda mais alta da sombra de um buraco negro, nas quais podemos fazer testes ainda mais rigorosos.

“Junto com as observações das ondas gravitacionais, isso marca o início de uma nova era na astrofísica de buracos negros”, disse Psaltis.

A pesquisa foi publicada na Physical Review Letters.