Um estudo de 16 anos de estrelas extremas provou mais uma vez que Einstein ainda está certo

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Ilustração do sistema binário de pulsares PSR J0737−3039A/B. Créditos: Michael Kramer / MPIfRA.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

Dois pulsares presos em uma órbita binária próxima validaram mais uma vez as predições feitas pela teoria da relatividade geral de Albert Einstein.

Ao longo de 16 anos, uma equipe internacional de astrônomos observou o par de pulsares, denominado PSR J0737−3039A/B, descobrindo que os efeitos relativísticos podem ser medidos na frequência e período de seus pulsos – exatamente como previsto e esperado. Esta é a primeira vez que esses efeitos são observados.

“Nós estudamos um sistema de estrelas compactas que é um laboratório incomparável para testar as teorias da gravidade na presença de campos gravitacionais muito fortes”, disse o astrônomo e astrofísico Michael Kramer do Instituto Max Planck de Radioastronomia da Alemanha, que liderou a pesquisa. “Para nossa alegria, fomos capazes de testar uma pedra angular da teoria de Einstein, a energia transportada pelas ondas gravitacionais, com uma precisão 25 vezes melhor do que com o pulsar Hulse-Taylor ganhador do Prêmio Nobel e 1.000 vezes melhor do que atualmente possível com detectores de ondas gravitacionais”.

Os pulsares são indiscutivelmente as estrelas mais úteis do céu. Eles são um tipo de estrela de nêutrons, o que significa que são muito pequenos e densos; até 20 quilômetros de diâmetro e até cerca de 2,4 vezes a massa do Sol.

O que os torna pulsares é o fato de que, bem, eles pulsam. Eles têm feixes de radiação em comprimentos de onda de rádio disparando de seus polos e são orientados de tal forma que esses feixes brilham como o feixe de um farol enquanto a estrela gira, em velocidades de até milissegundos.

Esses flashes são cronometrados de forma incrivelmente precisa, o que significa que, para nós, os pulsares são possivelmente as estrelas mais úteis do Universo. Variações em seu tempo podem ser utilizadas para navegação, para sondar o meio interestelar e para estudar a gravidade.

PSR J0737−3039A/B, descoberto em 2003, localizado a cerca de 2.400 anos-luz de distância, e o único pulsar duplo identificado até hoje, apresentou uma nova oportunidade de estudo: outro teste da relatividade, no que os pesquisadores chamaram de “laboratório incomparável” para testar as teorias da gravidade.

Os dois pulsares estão muito próximos, completando uma órbita a cada 147 minutos. Um gira bastante rápido 44 vezes por segundo. O outro é mais jovem e mais lento, girando uma vez a cada 2,8 segundos. Mas, como esses objetos são tão densos, seus campos gravitacionais são muito fortes, o que significa que eles podem afetar o tempo e o ângulo dos pulsos um do outro.

Usando sete poderosos telescópios ao redor do mundo, ao longo de 16 anos, foi isso que os pesquisadores procuraram.

“Seguimos a propagação de fótons de rádio emitidos de um farol cósmico, um pulsar, e rastreamos seu movimento no forte campo gravitacional de um pulsar companheiro”, disse a astrofísica Ingrid Stairs, da Universidade da Colúmbia Britânica, no Canadá. “Vemos pela primeira vez como a luz não é apenas atrasada devido a uma forte curvatura do espaço-tempo ao redor do companheiro, mas também que a luz é desviada por um pequeno ângulo de 0,04 graus – algo que podemos detectar. Nunca antes houve tal experimento foi conduzido em uma curvatura do espaço-tempo tão alta”.

No total, os pesquisadores realizaram sete testes da relatividade geral, incluindo a forma como a orientação da órbita do sistema binário muda, conhecida como precessão absidal, e a forma como os pulsares arrastam o espaço-tempo com eles conforme giram, o que é chamado de arrasto de referenciais ou Efeito Lense-Thirring. Isso permitiu o rastreamento preciso do tempo do pulsar.

“Além das ondas gravitacionais e da propagação da luz, nossa precisão também nos permite medir o efeito da ‘dilatação do tempo’ que faz os relógios funcionarem mais devagar em campos gravitacionais”, explicou o astrofísico Dick Manchester da CSIRO, na Austrália. “Precisamos até mesmo levar em conta a famosa equação de Einstein E = mc2 ao considerar o efeito da radiação eletromagnética emitida pelo pulsar de rotação rápida no movimento orbital. Essa radiação corresponde a uma perda de massa de 8 milhões de toneladas por segundo! Isso parece muito e é apenas uma pequena fração – três partes em um bilhão de bilhões – da massa do pulsar por segundo”.

Os resultados se juntam a um corpo crescente de medições de alta precisão dos efeitos relativísticos que, até agora, concordam com as predições de Einstein. O espaço-tempo em torno do buraco negro supermassivo M87*, a forma como as estrelas orbitam o próprio buraco negro supermassivo central da Via Láctea, o tempo dos relógios atômicos, um sistema triplo de estrelas e 14 anos de observações de um pulsar oscilante – todos são consistentes com a relatividade geral.

Nos próximos anos, à medida que telescópios mais poderosos emergem, é provável que vejamos testes de gravidade ainda mais precisos sob a relatividade geral, à medida que os cientistas continuam a procurar por lacunas.

“A relatividade geral não é compatível com as outras forças fundamentais, descritas pela mecânica quântica. Por isso, é importante continuar a colocar os testes mais rigorosos possíveis sobre a relatividade geral, para descobrir como e quando a teoria falha”, explicou o astrofísico Robert Ferdman da Universidade de East Anglia, no Reino Unido. “Encontrar qualquer furo na relatividade geral constituiria uma grande descoberta que abriria uma janela para uma nova física além de nossa atual compreensão teórica do Universo. E pode nos ajudar a finalmente descobrir uma teoria unificada das forças fundamentais da natureza”.

A pesquisa foi publicada na Physical Review X.