Pesquisadores da University of East Anglia e da University of Manchester ajudaram a conduzir 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.
E eles os usaram para desafiar a teoria mais famosa de Einstein com alguns dos testes mais rigorosos já feitos.
O estudo, publicado hoje na revista Physical Review X, revela novos efeitos relativísticos que, embora esperados, já foram observados pela primeira vez.
O Dr. Robert Ferdman, da Escola de Física da UEA, disse: “Por mais espetacularmente bem-sucedido que a teoria da relatividade geral de Einstein demonstrou ser, sabemos que essa não é a palavra final na teoria gravitacional.
?Mais de 100 anos depois, cientistas de todo o mundo continuam seus esforços para encontrar falhas em sua teoria.
?A relatividade geral não é compatível com as outras forças fundamentais, descritas pela mecânica quântica. Portanto, é importante continuar a colocar os testes mais rigorosos possíveis sobre a relatividade geral, para descobrir como e quando a teoria falha.
“Encontrar 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.
“E pode nos ajudar a finalmente descobrir uma teoria unificada das forças fundamentais da natureza.”
Liderada por Michael Kramer, do Instituto Max Planck de Radioastronomia de Bonn, Alemanha, a equipe internacional de pesquisadores de dez países submeteu a teoria de Einstein aos mais rigorosos testes até então.
Dr. Ferdman disse: “Um pulsar é uma estrela compacta rotativa altamente magnetizada que emite feixes de radiação eletromagnética de seus pólos magnéticos.
?Eles pesam mais do que o nosso sol, mas têm apenas cerca de 24 quilômetros de diâmetro – então são objetos incrivelmente densos que produzem feixes de rádio que varrem o céu como um farol.
?Estudamos um pulsar duplo, que foi descoberto por membros da equipe em 2003 e apresenta o laboratório mais preciso que temos para testar a teoria de Einstein. Claro, sua teoria foi concebida quando nem esses tipos de estrelas extremas, nem as técnicas utilizadas para estudá-los, poderia ser imaginado. ”
O pulsar duplo consiste em dois pulsares que orbitam um ao outro em apenas 147 minutos 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.
Sete radiotelescópios sensíveis foram usados para observar este pulsar duplo – na Austrália, nos Estados Unidos, na França, na Alemanha, na Holanda e no Reino Unido (o Radio Telescópio Lovell).
O professor Kramer disse: “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.
“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 detectores de ondas gravitacionais. ”
Ele explicou que as observações não estão apenas de acordo com a teoria, ?mas também pudemos ver efeitos que não poderiam ser estudados antes ”.
O Prof Benjamin Stappers, da Universidade de Manchester, disse: “A descoberta do sistema de pulsar duplo foi feita como parte de uma pesquisa co-liderada pela Universidade de Manchester e nos apresentou a única instância conhecida de dois relógios cósmicos que permitem precisão medição da estrutura e evolução de um campo gravitacional intenso.
“O telescópio Lovell no Jodrell Bank Observatory tem monitorado a cada duas semanas desde então. Esta longa linha de base de alta qualidade e observações frequentes forneceu um excelente conjunto de dados a ser combinado com os de observatórios em todo o mundo.”
A professora Ingrid Stairs, da University of British Columbia em Vancouver, disse: “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 houve tal experimento foi conduzido em uma curvatura do espaço-tempo tão alta. ”
O professor Dick Manchester, da agência científica nacional da Austrália, CSIRO, disse: “Esse movimento orbital rápido de objetos compactos como esses – eles são cerca de 30 por cento mais massivos do que o Sol, mas apenas cerca de 24 km de diâmetro – nos permite testar muitas previsões diferentes de relatividade – sete no total!
“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 rodarem mais devagar em campos gravitacionais.
“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! Embora pareça muito, é apenas uma pequena fração – 3 partes em um bilhão de bilhões (!) – da massa do pulsar por segundo.”
Os pesquisadores também mediram – com uma precisão de 1 parte em um milhão (!) – que a órbita muda sua orientação, um efeito relativístico também bem conhecido da órbita de Mercúrio, mas aqui 140.000 vezes mais forte.
Eles perceberam que, nesse nível de precisão, eles também precisam considerar o impacto da rotação do pulsar no espaço-tempo circundante, que é “arrastado” com o pulsar giratório.
O Dr. Norbert Wex do MPIfR, outro autor principal do estudo, disse: “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 um nêutron Estrela.
“Conseqüentemente, nossas medições nos permitem, pela primeira vez, usar o rastreamento preciso das rotações da estrela de nêutrons, uma técnica que chamamos de temporização do 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 por cento de margem de erro.
O membro da equipe Prof Adam Deller, da Swinburne University na Austrália e responsável por esta parte do experimento, disse: “É a combinação de diferentes técnicas de observação complementares que aumenta o valor extremo do experimento. No passado, estudos semelhantes eram frequentemente prejudicados 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.
O professor 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. ”
Paulo Freire, também do MPIfR, disse: “Nossos resultados são muito bem complementares a outros estudos experimentais que testam a gravidade em outras condições ou vêem diferentes efeitos, como detectores de ondas gravitacionais ou o Telescópio Horizonte de Eventos.
“Eles também complementam outros experimentos de pulsar, como nosso experimento de tempo com o pulsar em um sistema triplo estelar, que forneceu um teste independente e excelente da universalidade da queda livre.”
O Prof Kramer acrescentou: “Alcançamos um nível de precisão sem precedentes. Experimentos futuros com telescópios ainda maiores podem e irão ainda mais longe.
“Nosso trabalho mostrou como esses experimentos precisam ser conduzidos e quais efeitos sutis agora precisam ser levados em consideração. E, talvez, um dia possamos encontrar um desvio da relatividade geral.”
“Testes de gravidade de campo forte com o pulsar duplo” foi publicado na Physical Review X em 13 de dezembro de 2021.
Publicado em 15/12/2021 07h27
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