Os pesquisadores realizaram um experimento de 16 anos para desafiar a teoria da relatividade geral de Einstein. A equipe internacional olhou para as estrelas - um par de estrelas extremas chamadas pulsares para ser mais preciso - por meio de sete radiotelescópios espalhados pelo globo. Crédito: Instituto Max Planck de Radioastronomia.
A teoria da relatividade geral passa em uma série de testes precisos estabelecidos por um par de estrelas extremas. Mais de 100 anos depois que Albert Einstein apresentou sua teoria da gravidade, cientistas de todo o mundo continuam seus esforços para encontrar falhas na relatividade geral. A observação de qualquer desvio da Relatividade Geral constituiria uma grande descoberta que abriria uma janela para uma nova física além de nossa compreensão teórica atual do Universo.
O líder da equipe de pesquisa, Michael Kramer do Instituto Max Planck de Radioastronomia (MPIfR) em Bonn, Alemanha, diz: “Nós estudamos um sistema de estrelas compactas que é um laboratório incomparável para testar teorias da gravidade na presença de campos gravitacionais muito fortes. Para nossa alegria, fomos capazes de testar uma pedra angular da teoria de Einstein, a energia transportada pelas ondas gravitacionais, com uma precisão que é 25 vezes melhor do que com o pulsar Hulse-Taylor ganhador do Prêmio Nobel, e 1000 vezes melhor do que atualmente possível com gravitacional detectores de ondas. ” Ele explica que as observações não estão apenas de acordo com a teoria, “mas também pudemos ver efeitos que não podiam ser estudados antes”.
Ingrid Stairs, da University of British Columbia em Vancouver, dá um exemplo: “Seguimos a propagação de fótons de rádio emitidos por um farol cósmico, um pulsar, e rastreamos seu movimento no forte campo gravitacional de um pulsar companheiro. 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 que podemos detectar. Nunca antes tal experimento foi conduzido em uma curvatura do espaço-tempo tão alta.”
Dança dos pulsares. Animação do sistema de pulsar duplo PSR J0737-3039 A / B e sua linha de visão da Terra. O sistema - que consiste em dois pulsares de rádio ativos - é "lateral" visto da Terra, o que significa que a inclinação do plano orbital em relação à nossa linha de visão é de apenas cerca de 0,6 grau.
Este laboratório cósmico conhecido como “Pulsar Duplo” foi descoberto por membros da equipe em 2003. É composto por dois pulsares de rádio que orbitam um ao outro em apenas 147 min com velocidades de cerca de 1 milhão de km / h. Um pulsar está girando muito rápido, cerca de 44 vezes por segundo. O acompanhante é jovem e possui um período de rotação de 2,8 segundos. É o movimento entre eles que pode ser usado como um laboratório de gravidade quase perfeito.
Dick Manchester, da agência científica nacional da Austrália, CSIRO, ilustra: “Esse movimento orbital rápido de objetos compactos como esses - eles têm cerca de 30% mais massa do que o Sol, mas apenas cerca de 24 km de diâmetro - nos permite testar muitas previsões diferentes da relatividade geral- sete no total! Além das ondas gravitacionais, nossa precisão nos permite sondar os efeitos da propagação da luz, como o chamado “atraso de Shapiro” e a curvatura da luz. Também medimos o efeito da “dilatação do tempo” que faz com que os relógios funcionem mais lentamente em campos gravitacionais.
Precisamos até mesmo levar em consideração 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! Embora pareça muito, é apenas uma pequena fração - 3 partes em um bilhão de bilhões (!) - da massa do pulsar por segundo.”
O atraso de tempo de Shapiro. Animação da medição do retardo de tempo de Shapiro no pulsar duplo. Quando um pulsar em rotação rápida orbita em torno do centro de massa comum, os fótons emitidos se propagam ao longo do espaço-tempo curvo do pulsar preso e, portanto, são retardados.
Os pesquisadores também mediram - com uma precisão de 1 parte em um milhão (!) - que a órbita muda de orientação, um efeito relativístico também bem conhecido da órbita de Mercúrio, mas aqui 140.000 vezes mais forte. Eles perceberam que, neste nível de precisão, eles também precisam considerar o impacto da rotação do pulsar no espaço-tempo circundante, que é "arrastado" com o pulsar giratório. Norbert Wex do MPIfR, outro autor principal do estudo, explica: “Os físicos chamam isso de efeito Lense-Thirring ou frame-dragging. Em nosso experimento, isso significa que precisamos considerar a estrutura interna de um pulsar como uma estrela de nêutrons. Portanto, nossas medições nos permitem, pela primeira vez, usar o rastreamento de precisão das rotações da estrela de nêutrons, uma técnica que chamamos de temporização de pulsar para fornecer restrições à extensão de uma estrela de nêutrons.”
A técnica de temporização do pulsar foi combinada com medidas interferométricas cuidadosas do sistema para determinar sua distância com imagens de alta resolução, resultando em um valor de 2.400 anos-luz com apenas 8% de margem de erro. O membro da equipe Adam fDeller, da Swinburne University na Austrália e responsável por esta parte do experimento, destaca: “É a combinação de diferentes técnicas de observação complementares que adiciona valor extremo ao experimento. No passado, estudos semelhantes eram frequentemente dificultados pelo conhecimento limitado da distância de tais sistemas. ” Este não é o caso aqui, onde além da temporização do pulsar e da interferometria, também as informações obtidas dos efeitos devido ao meio interestelar foram cuidadosamente levadas em consideração.
Bill Coles, da Universidade da Califórnia em San Diego, concorda: “Reunimos todas as informações possíveis sobre o sistema e derivamos uma imagem perfeitamente consistente, envolvendo física de muitas áreas diferentes, como física nuclear, gravidade, meio interestelar, física de plasma e muito mais. Isso é bastante extraordinário. ”
“Nossos resultados são bem complementares a outros estudos experimentais que testam a gravidade em outras condições ou veem efeitos diferentes, como detectores de ondas gravitacionais ou o Telescópio Horizonte de Eventos. Eles também complementam outros experimentos de pulsar, como nosso experimento de timing com o pulsar em um sistema triplo estelar, que tem fornecido um teste independente (e soberbo) da universalidade da queda livre ”, diz Paulo Freire, também do MPIfR.
Michael Kramer conclui: “Alcançamos um nível de precisão sem precedentes. Futuros experimentos com telescópios ainda maiores podem e irão ainda mais longe. Nosso trabalho mostrou a maneira como esses experimentos precisam ser conduzidos e quais efeitos sutis agora precisam ser levados em consideração. E, talvez, um dia encontraremos um desvio da relatividade geral ...”
Para mais informações sobre essa pesquisa, consulte A maior teoria desafiadora de Einstein em um experimento de 16 anos - Teoria da relatividade geral testada com estrelas extremas. Referência: “Strong-field Gravity Tests with the Double Pulsar” por M. Kramer et al., 13 de dezembro de 2021, Physical Review X.
DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.041050
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