Astrofísicos usam pulsar para confirmar teoria fundamental de Albert Einstein

Por Daniele Cavalcante | 11 de Junho de 2020 às 08h30
NASA's Goddard Space Flight Center

Uma equipe internacional de cientistas realizou a confirmação mais consistente até o momento para uma das ideias fundamentais da Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein, "a universalidade da queda livre". Embora verificáveis em muitos casos na física clássica, a mecânica quântica ainda oferece desafios às ideias do físico alemão.

A nova pesquisa, no entanto, mostra que a teoria vale também para objetos fortemente autogravitantes (objetos cuja massa é composta significativamente de sua própria energia gravitacional), como estrelas de nêutrons. Usando um radiotelescópio, os cientistas puderam observar com precisão o sinal produzido pelos pulsares e testar a validade da teoria da gravidade de Einstein para esses objetos extremos.

Universalidade da queda livre

Na presença do Grão-Duque, Galileu realiza a experiência da queda dos corpos na Torre de Pisa, em pintura de Luigi Catani, datada de 1816

O princípio da universalidade da queda livre afirma que, se dois corpos caírem ao mesmo tempo em um lugar com o mesmo campo gravitacional, sofrem a mesma aceleração independentemente de sua composição. Isso foi demonstrado pela primeira vez por Galileu, que deixou cair objetos de diferentes massas do topo da Torre de Pisa para verificar se ambos alcançavam o solo simultaneamente. A resposta foi sim.

Não importa o peso dos objetos. Você pode deixar cair um pedaço de papel e algo feito de ferro - eles terão a mesma velocidade rumo ao chão. Mas se você fizer o teste com papel, é preciso amassá-lo. Isso não vai alterar o peso ou a massa do objeto, mas evitará que a superfície plana da folha de papel crie uma resistência ao cair no chão. Deixe os objetos caírem ao mesmo tempo, a partir da mesma altura, e eles atingirão o solo ao mesmo tempo.

Esse princípio é importante para a Teoria de Einstein, mas há algumas inconsistências entre a mecânica quântica e a relatividade geral que podem colocar isso em cheque em alguns casos extremos, como objetos de densidades extremos e corpos fortemente autogravitantes. A existência da matéria escura também desafia as teorias de Einstein, então ainda há muito trabalho para os que têm a tarefa de comprovar a relatividade geral.

Essas inconsistências levaram muitos físicos a acreditar que a relatividade geral pode não ser a teoria final da gravidade, o que nos levaria à busca de novas ideias que expliquem o universo de modo mais abrangente.

Comprovando a teoria

Para ver se a ideia da universalidade da queda livre vale mesmo em qualquer situação no nosso universo, a equipe escolheu os sinais de um pulsar chamado PSR J0337+1715. Trata-se de uma estrela de nêutrons superdensa - seu núcleo tem 1,44 vezes massa do Sol, mas ela tem apenas 25 km de diâmetro.

Pulsares são objetos extremamente úteis para astrônomos. Eles brilham levemente em raios-X, mas possuem “pontos quentes” em suas superfícies que são mais brilhantes. À medida que o objeto gira, esses pontos aparecem e desaparecem, transformando o pulsar em uma espécie de farol espacial gigante, com variações extremamente regulares no brilho dos raios X capturados pelos nossos telescópios.

Representação artística do pulsar PSR J0337+1715 e seu companheiro mais próximo, uma anã branca, com suas órbitas, e a segunda companheira em segundo plano (Imagem: Guillaume Voisin)

As observações do PSR J0337+1715 mostraram que esse pulsar orbita duas anãs brancas cujos campos gravitacionais são muito mais fracos, uma das quais orbita o pulsar em apenas 1,6 dias a uma distância cerca de 10 vezes mais próxima do pulsar do que a distância entre o planeta Mercúrio e o Sol. Este sistema binário orbita com uma terceira estrela, uma anã branca com 40% da massa do Sol.

Este sistema pode ser ligeiramente comparado ao sistema Sol/Terra/Lua, com a presença de um segundo companheiro (desempenhando o papel do Sol) em direção a qual as duas outras estrelas “'caem” em direção à primeira por causa do campo gravitacional intenso. Isso é como uma réplica cósmica da experiência de Galileu na Torre de Pisa: dois corpos de composições diferentes “caem” com a mesma aceleração no campo gravitacional de um terceiro.

No sistema solar, um experimento já havia verificado que a Lua e a Terra são afetadas pelo campo de gravidade do Sol de modo idêntico, de acordo com a universalidade da queda livre. Mas no Sistema Solar, nenhum objeto é fortemente autogravitante, nem mesmo o Sol. Por isso, havia uma lacuna, preenchida agora pelo novo experimento.

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

Fonte: Phys.org

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