Físicos confirmam a velocidade da gravidade

Representação artística de duas estrelas de nêutrons. Créditos: A. Simonnet / LIGO / NSF / Sonoma State University.

Publicado na Phys

As recentes detecções de ondas gravitacionais permitiram que os físicos confirmassem com maior precisão o que Einstein previu há mais de 100 anos na teoria da relatividade geral. Em particular, a gravidade não atua instantaneamente como pensou Newton, mas que se propaga à velocidade da luz.

“A velocidade da gravidade, como a velocidade da luz, é uma das constantes fundamentais do universo”, diz Neil Cornish, físico da Universidade de Montana State. “Até o advento da astronomia de ondas gravitacionais, não tínhamos maneira de medir diretamente a velocidade da gravidade”.

Nos últimos meses, os físicos progrediram rapidamente ao delimitar a velocidade da gravidade através das observações de ondas gravitacionais.

Inicialmente, as primeiras detecções do LIGO de ondas gravitacionais tinham limitado a velocidade da gravidade em torno de 50% da velocidade da luz.

Em um artigo publicado na Physical Review Letters, Cornish e seus coautores – Diego Blas no CERN e Germano Nardini na Universidade de Berna – combinaram os primeiros três eventos de ondas gravitacionais reportados por colaborações do LIGO e Virgo, o que permitiu melhorar os limites originais dentro de aproximadamente 45% da velocidade da luz.

Apenas dois dias depois (e depois que os físicos mencionados anteriormente escreveram seu artigo), outro artigo foi publicado no The Astrophysical Journal Letters por colaborações do LIGO e Virgo, cujos autores estão afiliados a quase 200 instituições em todo o mundo. Ao usar os dados das ondas gravitacionais em agosto, puderam restringir a diferença entre a velocidade da gravidade e a velocidade da luz entre -3 x 10-15 e 7 x 10-16 vezes a velocidade da luz.

O motivo do enorme salto na precisão é que o evento da estrela de nêutrons não emitiu apenas ondas gravitacionais, mas também radiação eletromagnética em forma de raios gama. A emissão simultânea de ondas gravitacionais e luz da mesma fonte permitiu aos cientistas estabelecer os limites da velocidade da gravidade, que são muitas ordens de magnitude mais estritas do que poderia ser estabelecido usando apenas sinais de ondas gravitacionais.

Dependendo, se uma fonte astrofísica emite ondas gravitacionais e luz ou apenas a primeira, os cientistas tomam diferentes enfoques para restringir a velocidade da gravidade. Quando uma fonte emite ondas gravitacionais e luz, os cientistas podem medir a diferença (se houver) no tempo de chegada dos dois tipos diferentes de sinais em um só detector. No artigo da The Astrophysical Journal Lettes, os cientistas mediram um atraso de chegada de uns poucos segundos entre os sinais que viajavam uma distância de mais de cem milhões de anos-luz. Um atraso tão pequeno através dessa distância é considerado praticamente nada.

Por outro lado, quando uma fonte emite apenas ondas gravitacionais, os cientistas devem detectar o mesmo sinal em múltiplos detectores terrestres e medir a diferença (muito leve) nos tempos de chegada. Os cientistas do estudo da Physical Review Lettes fizeram isso comparando os sinais detectado por dois detectadores do LIGO que estão localizados a 2.500 quilômetros de distância: um em Hanford, Washington, e outro em Livingston, Louisiana.

Como os físicos explicam, é possível melhorar grandemente os limites da velocidade da gravidade usando fontes que emitem apenas ondas gravitacionais. Por exemplo, usando quatro detectores localizados em diferentes lugares da Terra, com cinco eventos de ondas gravitacionais para comparar, as restrições podem melhorar até 1% da velocidade da luz. Mas ainda não podem alcançar o grau de precisão dos experimentos com acesso a gravidade e a luz.

Em geral, limiar a velocidade da luz tem muitas implicações significativas para a física fundamental e a cosmologia. Uma das maiores implicações é que os limites estreitos proporcionam uma prova mais precisa da relatividade geral e descartam as alternativas propostas à relatividade geral.

“Muitas teorias alternativas da gravidade, incluindo algumas que foram invocadas para explicar a expansão acelerada do universo, predizem que a velocidade da gravidade é diferente da velocidade da luz”, diz Cornish. “Várias dessas teorias foram descartadas, restringindo assim as maneiras pelas quais a teoria de Einstein possa ser sensivelmente modificada e tornando a energia escura uma explicação mais provável para a expansão acelerada”.

Referências

  • B.P. Abbott, et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, Fermi Gamma-ray Burst Monitor, and INTEGRAL.) “Gravitational Waves and Gamma-Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817 and GRB 170817A.” The Astrophysical Journal Letters. DOI: 10.3847/2041-8213/aa920c
  • Neil Cornish, Diego Blas, and Germano Nardini. “Bounding the Speed of Gravity with Gravitational Wave Observations.” Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.161102
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