A relatividade geral é uma teoria tão forte quanto existe. Teste após teste foi lançado nele, e ele simplesmente continua se segurando. Mesmo assim, permanece o espaço de manobra. 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 forneceu à relatividade seu teste mais rigoroso até então. Sim, é o M87 *, o buraco negro mais fotogênico do Universo, e a colaboração do Event Horizon Telescope sondou a região ao redor dele para tornar a 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 modelar 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 que tentem fazer isso, embora falhem em ser consistentes com o que vemos na vida real, devem ser afetadas.
“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.
“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 alcançaram, 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 deles era o tamanho da sombra.
Essa sombra é a região escura no centro da massa de material em 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 inclina as escalas cósmicas em 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 pode 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. “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 é uma. 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 é outra. Medições precisas de distâncias entre planetas fornecem ainda outra.
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 contra observações, para cada teoria alternativa da gravidade, a equipe identificou as características únicas que prevêem 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 a margem de manobra para modificações na teoria da relatividade geral de Einstein em quase um fator de 500, em comparação com testes anteriores no sistema solar”, disse o astrofísico Feryal Özel, da Universidade do Arizona.
“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 pode ser quebrada, e a busca para fazê-lo 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 a diferença entre relatividade geral e mecânica quântica.
Então, a relatividade geral não quebrou 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 que os resultados se desviam 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.
Publicado em 03/10/2020 22h04
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