O que Albert Einstein, o Sistema de Posicionamento Global (GPS) e um par de estrelas a 300.000 trilhões de quilômetros da Terra têm em comum?
A resposta é um efeito da Teoria Geral da Relatividade de Einstein, chamado de “desvio para o vermelho gravitacional”, em que a luz é desviada para cores mais vermelhas por causa da gravidade. Usando o Observatório de raios-X Chandra da NASA, os astrônomos descobriram o fenômeno em duas estrelas orbitando uma a outra em nossa galáxia, a cerca de 29.000 anos-luz (300.000 trilhões de quilômetros) de distância da Terra. Embora essas estrelas estejam muito distantes, os desvios para o vermelho gravitacionais têm impactos tangíveis na vida moderna, pois os cientistas e engenheiros devem levá-los em consideração para possibilitar posições precisas para o GPS.
Embora os cientistas tenham encontrado evidências incontestáveis de desvios para o vermelho gravitacionais em nosso sistema solar, tem sido um desafio observá-los em objetos mais distantes no espaço. Os novos resultados do Chandra fornecem evidências convincentes de efeitos de deslocamento para o vermelho gravitacional em jogo em um novo cenário cósmico.
O intrigante sistema conhecido como 4U 1916-053 contém duas estrelas em uma órbita notavelmente próxima. Um é o núcleo de uma estrela que teve suas camadas externas removidas, deixando uma estrela que é muito mais densa do que o Sol. A outra é uma estrela de nêutrons, um objeto ainda mais denso criado quando uma estrela massiva colapsa em uma explosão de supernova. A estrela de nêutrons (cinza) é mostrada na impressão deste artista no centro de um disco de gás quente afastado de sua companheira (estrela branca à esquerda).
Essas duas estrelas compactas têm apenas cerca de 215.000 milhas uma da outra, aproximadamente a distância entre a Terra e a Lua. Enquanto a Lua orbita nosso planeta uma vez por mês, a densa estrela companheira em 4U 1916-053 gira em torno da estrela de nêutrons e completa uma órbita completa em apenas 50 minutos.
No novo trabalho em 4U 1916-053, a equipe analisou espectros de raios-X – isto é, a quantidade de raios-X em diferentes comprimentos de onda – do Chandra. Eles encontraram a assinatura característica da absorção da luz de raios-X pelo ferro e silício nos espectros. Em três observações separadas com o Chandra, os dados mostram uma queda brusca na quantidade detectada de raios-X perto dos comprimentos de onda onde os átomos de ferro ou silício devem absorver os raios-X. Um dos espectros mostrando a absorção pelo ferro – as depressões à esquerda e à direita – está incluído no gráfico principal. Um gráfico adicional mostra um espectro com absorção pelo silício. Em ambos os espectros, os dados são mostrados em cinza e um modelo de computador em vermelho.
No entanto, os comprimentos de onda dessas assinaturas características de ferro e silício foram deslocados para comprimentos de onda mais longos ou mais vermelhos em comparação com os valores de laboratório encontrados aqui na Terra (mostrado com a linha vertical azul para cada assinatura de absorção). Os pesquisadores descobriram que a mudança nas características de absorção era a mesma em cada uma das três observações do Chandra e que era grande demais para ser explicada pelo movimento para longe de nós. Em vez disso, eles concluíram que era causado pelo desvio para o vermelho gravitacional.
Como isso se conecta com a relatividade geral e o GPS? Conforme previsto pela teoria de Einstein, os relógios sob a força da gravidade funcionam a uma taxa mais lenta do que os relógios vistos de uma região distante com gravidade mais fraca. Isso significa que os relógios na Terra observados em satélites em órbita funcionam a uma taxa mais lenta. Para ter a alta precisão necessária ao GPS, esse efeito precisa ser levado em consideração ou haverá pequenas diferenças de tempo que se somam rapidamente, calculando posições imprecisas.
Todos os tipos de luz, incluindo raios X, também são afetados pela gravidade. Uma analogia é a de uma pessoa subindo uma escada rolante que está descendo. Ao fazer isso, a pessoa perde mais energia do que se a escada rolante estivesse parada ou subindo. A força da gravidade tem um efeito semelhante na luz, onde uma perda de energia resulta em uma frequência mais baixa. Como a luz no vácuo sempre viaja na mesma velocidade, a perda de energia e a freqüência mais baixa significa que a luz, incluindo as assinaturas de ferro e silício, muda para comprimentos de onda mais longos.
Esta é a primeira evidência forte de assinaturas de absorção sendo deslocadas para comprimentos de onda mais longos pela gravidade em um par de estrelas que tem uma estrela de nêutrons ou um buraco negro. Fortes evidências de desvios para o vermelho gravitacionais na absorção foram observados anteriormente na superfície das anãs brancas, com desvios de comprimento de onda tipicamente apenas cerca de 15% daquele para 4U 1916-053.
Os cientistas dizem que é provável que uma atmosfera gasosa cobrindo o disco perto da estrela de nêutrons (mostrada em azul) absorveu os raios-X, produzindo esses resultados. (Esta atmosfera não está relacionada com a protuberância de gás vermelho na parte externa do disco que bloqueia a luz da parte interna do disco uma vez por órbita.) O tamanho da mudança no espectro permitiu à equipe calcular a que distância esta atmosfera está longe da estrela de nêutrons, usando a relatividade geral e assumindo uma massa padrão para a estrela de nêutrons. Eles descobriram que a atmosfera está localizada a 1.500 milhas da estrela de nêutrons, cerca de metade da distância de Los Angeles a Nova York e equivalente a apenas 0,7% da distância da estrela de nêutrons à companheira. Provavelmente se estende por várias centenas de milhas da estrela de nêutrons.
Em dois dos três espectros, também há evidências de assinaturas de absorção que foram deslocadas para comprimentos de onda ainda mais vermelhos, correspondendo a uma distância de apenas 0,04% da distância da estrela de nêutrons à companheira. No entanto, essas assinaturas são detectadas com menos confiança do que aquelas mais distantes da estrela de nêutrons.
Os cientistas receberam mais tempo de observação Chandra no próximo ano para estudar este sistema em mais detalhes.
Um artigo descrevendo esses resultados foi publicado na edição de 10 de agosto de 2020 do The Astrophysical Journal.
Publicado em 26/10/2020 12h51
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