Astrofísicos confirmam pedra angular da teoria da relatividade geral de Einstein

Impressão de artista do pulsar e da sua companheira anã branca mais próxima com as suas órbitas e a segunda companheira no plano de fundo

Uma colaboração internacional de cientistas registou a confirmação mais precisa, até ao momento, de uma das pedras angulares da teoria da relatividade geral de Einstein, “a universalidade da queda livre”.

A nova investigação mostra que a teoria da relatividade geral de Einstein é válida para objetos fortemente autogravitantes, como estrelas de neutrões.

Usando um radiotelescópio, os cientistas puderam observar com muita precisão o sinal produzido pelos pulsares, um tipo de estrela de neutrões, e testar a validade da teoria da gravidade de Einstein para estes objetos extremos. A equipa analisou os sinais de um pulsar chamado PSR J0337+1715 registados pelo grande radiotelescópio de Nançay, localizado no coração de Sologne, em França.

A universalidade do princípio de queda livre afirma que dois corpos a caírem num campo gravitacional sofrem a mesma aceleração, independentemente da sua composição. Isto foi demonstrado, pela primeira vez, por Galileu, que teria largado objetos de diferentes massas do topo da Torre de Pisa para verificar se ambos alcançavam o chão simultaneamente.

O princípio também está no cerne da teoria da relatividade geral de Einstein. No entanto, algumas dicas, como a inconsistência entre a mecânica quântica e a relatividade geral, ou o enigma do domínio da matéria escura e da energia escura na composição do Universo, levaram muitos físicos a pensar que a relatividade geral pode não ser, afinal, a teoria final da gravidade.

As observações do Pulsar J0337+1715, que é uma estrela de neutrões com um núcleo estelar que tem 1,44 vezes a massa do Sol e que colapsou numa esfera com apenas 25 km de diâmetro, mostra que orbita duas anãs brancas que são muito mais fracas em termos de campo gravitacional.

As descobertas, publicadas na Astronomy & Astrophysics, demonstram que a universalidade do princípio da queda livre está correta.

Guillaume Voisin, cientista da Universidade de Manchester e líder do estudo, disse que “o pulsar emite um feixe de ondas de rádio que varre o espaço” e, a cada volta, “cria um flash de rádio que é registado com alta precisão pelo radiotelescópio de Nançay”.

À medida que o pulsar se move na sua órbita, o tempo de chegada da luz à Terra muda. É a medição precisa e a modelagem matemática, com uma precisão de nanossegundos, desses tempos de chegada, que permite aos cientistas inferir com precisão requintada o movimento da estrela de neutrões.

“Acima de tudo, é a configuração única desse sistema, semelhante ao sistema Terra-Lua-Sol, com a presença de uma segunda companheira (a desempenhar o papel do Sol) em direção à qual as duas outras estrelas “caem” (orbitam), que permitiu executar uma versão estelar da famosa experiência de Galileu na torre de Pisa”, explicou.

“Dois corpos de composições diferentes caem com a mesma aceleração no campo gravitacional de um terceiro corpo.”

As medições foram obtidas por uma equipa colaborativa da Universidade de Manchester, do Observatório de Paris, do CNRS Francês (Centre national de la recherche scientifique), do LPC2E (Laboratoire de Physique et de Chimie de l’Environnement et de l’Espace, Orleães, França), e do Instituto Max Planck para Radioastronomia.

O pulsar orbita duas anãs brancas, uma das quais orbita o pulsar em apenas 1,6 dias a uma distância cerca de 10 vezes inferior à distância Mercúrio-Sol. Este sistema binário, um pouco como a Terra e a Lua no Sistema Solar, orbita uma terceira estrela, uma anã branca com 40% da massa do Sol, localizada pouco mais da distância que separa o sistema Terra-Lua do Sol.

No Sistema Solar, a Lunar-laser ranging experiment permitiu verificar que a Lua e a Terra são identicamente afetadas pelo campo de gravidade do Sol, conforme previsto pela universalidade da queda livre (o movimento orbital é uma forma de queda livre).

No entanto, sabe-se que alguns desvios à universalidade podem ocorrer apenas para corpos fortemente autogravitantes, como estrelas de neutrões, que são objetos cuja massa é composta significativamente da sua própria energia gravitacional graças à famosa relação E=mc^2 de Einstein.

A nova experiência de pulsar realizada pela equipa preenche a lacuna deixada pelos testes do Sistema Solar, onde nenhum objeto é fortemente autogravitante, nem mesmo o Sol.

A equipa demonstrou que o campo gravitacional extremo do pulsar não pode diferir em mais de 1,8 partes por milhão (com um nível de confiança de 95%) da previsão da relatividade geral.

Este resultado é a confirmação mais precisa de que a universalidade da queda livre é válida mesmo na presença de um objeto cuja massa é em grande parte devida ao seu próprio campo de gravidade, apoiando assim a teoria da relatividade geral de Einstein.

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