Einstein estava certo! 10 vezes em que suas teorias foram comprovadas

Por Daniele Cavalcante | 20 de Dezembro de 2019 às 21h00

A teoria da relatividade geral de Einstein é um conjunto de hipóteses sobre a relatividade espacial e a lei da gravitação universal de Newton. Ela tem importantes implicações na astrofísica, como a indicação para a existência de buracos negros como um estado final de estrelas muito massivas.

Hoje, após a confirmação de muitas dessas hipóteses, a relatividade geral tem muitas consequências importantes para o estudo do cosmos e no modo com que os cientistas fazem suas descobertas, e até mesmo para as tecnologias que usamos no dia a dia.

Por exemplo, se os cientistas não tivessem comprovado a atuação da relatividade geral, provavelmente nosso GPS não funcionaria com tanta precisão. É que, de acordo com a teoria de Einstein, a gravidade da Terra causa uma dobra no espaço-tempo. Isso faz com que, para os satélites, o tempo se mova um pouco mais rápido que na Terra. Sendo assim, os relógios dos satélites sempre estariam um pouquinho à frente dos relógios na Terra. Se o GPS não tivesse a relatividade incorporada em sua tecnologia, nossos smartphones não seriam tão precisos em mostrar nosso posicionamento em tempo real, por exemplo.

A teoria da relatividade especial, que inclui a famosa equação E=mc², é um pouco mais antiga, mas igualmente importante. Para conhecermos um pouco mais sobre como a ciência já conseguiu comprovar algumas das hipóteses do físico alemão, a NASA listou 10 coisas que provam que ele estava certo o tempo todo — reafirmando sua fama de gênio da ciência.

Limite de velocidade universal

Na equação E=mc², "c" representa a velocidade da luz no vácuo. Embora a luz possa se manifestar de muitas formas, Einstein disse que ela sempre deve obedecer ao limite de velocidade de 300.000 quilômetros por segundo. Portanto, se você tiver duas partículas de luz e cada uma estiver transportando quantidades muito diferentes de energia, elas viajarão na mesma velocidade.

Isso foi demonstrado experimentalmente no espaço em 2009, quando o telescópio espacial de raios gama Fermi, da NASA, detectou dois fótons praticamente no mesmo momento, mesmo que um deles carregasse energia um milhão de vezes maior que o outro. Ambos vieram de uma região de alta energia, perto da colisão de duas estrelas de nêutrons, cerca de 7 bilhões de anos atrás. Enquanto outras teorias postulam que o espaço-tempo possui uma textura "espumosa" que pode retardar partículas mais energéticas, as observações do Fermi favoreceram as previsões de Einstein.

Lentes gravitacionais fortes

Imagem: ESA/Hubble & NASA; Acknowledgment: Judy Schmidt (geckzilla)

Um objeto massivo, como uma galáxia, distorce a luz vinda de outro objeto que está muito mais distante. Esse efeito é comumente chamado de “lente” porque o objeto mais próximo age como um telescópio que revela algo que está mais longe. Em alguns casos, o fenômeno ajuda os cientistas a encontrar novas galáxias muito distantes de nós, que não poderiam ser detectadas de outra maneira.

Às vezes, ao utilizar o efeito de lente gravitacional e os dois objetos aparecerem mais próximos um do outro no céu, os cientistas acabam encontrando várias imagens clonadas do objeto mais distante. Isso aconteceu quando o telescópio espacial Hubble capturou a imagem de uma galáxia que apareceu duplicada 12 vezes. Isso aconteceu por causa de um enorme aglomerado de galáxias que causou o efeito intenso de lente gravitacional.

Essas “cópias” mudam de brilho se o objeto original estiver mudando, mas não todas de uma vez, por causa da forma como o próprio espaço é dobrado pela gravidade do objeto em primeiro plano.

Às vezes, quando um objeto celeste distante é alinhado com precisão a outro objeto, vemos a luz dobrada em um arco conhecido como "anel de Einstein". Na imagem acima, também capturada pelo Hubble, o arco de luz representa uma galáxia distante que foi fotografada, e forma uma “carinha sorridente” com outras galáxias.

Lentes fracas

As lentes gravitacionais podem acontecer em diferentes condições. Quando os dois objetos não estão excepcionalmente alinhados em relação à nossa visão, apenas uma imagem do objeto distante é projetada. Isso acontece com muito mais frequência que no caso descrito no item acima. A gravidade do objeto mais próximo faz com que o objeto em segundo plano pareça maior e mais esticado do que realmente é. Isso é chamado de "lente fraca".

Mas não deixe o nome te enganar. Lentes fracas são muito importantes para estudar alguns dos maiores mistérios do universo, tais como a matéria escura (material invisível que interage com a matéria comum apenas através da gravidade) e a energia escura (que se comporta como o oposto da gravidade, fazendo com que os objetos se afastem). Ao examinar distorções de galáxias com lentes fracas em todo o universo, os cientistas podem determinar as características dos efeitos desses dois componentes intrigantes do cosmos.

Microlente

Outro tipo de lente gravitacional pode acontecer em outros objetos bem menores que galáxias - estrelas, por exemplo. Elas também podem funcionar como lente para encontrar outras estrelas, incluindo aquelas que têm planetas ao seu redor. Quando a luz de uma estrela é “captada” pela lente gravitacional produzida por outra estrela mais próxima, ocorre um aumento no brilho da mais distante. Se a estrela em primeiro plano também tiver um planeta em sua órbita, os telescópios poderão detectar um impacto extra na luz da estrela em segundo plano, causado pelo corpo planetário. Essa técnica para encontrar exoplanetas é chamada de "microlente".

O Telescópio Espacial Spitzer, da NASA, encontrou um planeta gelado através da tácnica de microlente. Embora até agora esse método tenha ajudado a encontrar menos de 100 exoplanetas confirmados, o Wide Field Infrared Survey Telescope, a ser lançado em 2025, poderá encontrar mais de 1.000 novos planetas usando microlentes gravitacionais.

Buracos negros

Foto: EHT

A relatividade geral foi a teoria que previu a existencia de buracos negros, objetos extremamente densos dos quais nada pode escapar, nem mesmo a luz. Isso acontece porque até a velocidade da luz é inferior à velocidade necessária para escapar da atração gravitacional desses corpos celestes. Eles causam as distorções mais extremas do tecido do espaço-tempo e sua imensa gravidade afeta a luz de maneiras estranhas - que só a teoria de Einstein foi capaz de explicar.

Com o passar do tempo, os cientistas conseguiram coletar mais e mais indícios da existência desses objetos invisíveis e de seu comportamento no universo em conformidade com as previsões de Einstein. Até que, em abril deste ano, a equipe internacional do Event Horizon Telescope revelou a primeira imagem real de um buraco negro - mais precisamente, de seu horizonte de eventos, a fronteira que define o "ponto de não retorno" de um buraco negro.

Jatos relativísticos

Jatos relativísticos são jatos extremamente poderosos de plasma que emergem dos centros de algumas galáxias ativas. Eles podem ter comprimentos de milhares ou mesmo centenas de milhares de anos luz.

A imagem acima revela a galáxia Messier 87 (M87) na luz infravermelha, que tem um buraco negro supermassivo no centro. Ao redor do buraco negro, há um disco de gás extremamente quente, e dois jatos de material que disparam em direções opostas. Um dos jatos, visível à direita da imagem, está apontando quase exatamente na direção da Terra. Podemos ver este brilho porque as partículas viajam em direção ao observador perto da velocidade da luz. O outro jato é invisível em todos os comprimentos de onda porque está se afastando do observador perto da velocidade da luz.

Os detalhes de como esses jatos funcionam ainda são desconhecidos, e os cientistas continuarão estudando os buracos negros em busca de mais pistas.

Vórtice gravitacional

A gravidade dos buracos negros é tão intensa que eles fazem material "balançar" ao seu redor. Até recentemente, isso era apenas teórico. Mas, em 2016, uma equipe internacional de cientistas conseguiu observar a assinatura de matéria oscilante pela primeira vez. Eles detectaram linhas espectrais de ferro no disco de acreção de um buraco negro e provaram a existência do "vórtice gravitacional".

A matéria que cai em um buraco negro aquece à medida que mergulha rumo ao seu destino inevitável. Antes de passar pelo horizonte de eventos, a temperatura pode chegar a milhões de graus, o que fará com que a matéria emita raios-X no espaço. O fenômeno é apelidado de Oscilação Quasi Periódica e, em 1990, os astrônomos começaram a suspeitar que isso estaria associado com o ainda hipotético vórtice gravitacional.

Os cientistas explicam que esse vórtice é como mexer uma colher no mel. Imagine que o mel é o espaço e tudo o que está nele vai ser "arrastado" em torno do movimento da colher. Bem, qualquer coisa que orbita um objeto girando terá seu movimento afetado. Em torno de um buraco negro, no entanto, o efeito é muito mais perceptível devido ao campo gravitacional intenso.

Essa oscilação de material em torno de um buraco negro é semelhante à maneira como Einstein explicou a estranha órbita de Mercúrio. Como ele é o planeta mais próximo do Sol, acaba afetado pelo puxão gravitacional mais intenso da estrela. Por isso, a orientação de sua órbita está girando lentamente ao redor do Sol, criando uma oscilação.

Ondas gravitacionais

Ondulações no espaço-tempo, ou ondas gravitacionais, foram postuladas por Einstein há cerca de 100 anos, mas só puderam ser de fato observadas em 2016. Foi neste ano que uma equipe internacional de astrônomos que trabalhavam no Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro Laser (LIGO) anunciou que o instrumento detectou o sinal sutil de ondas gravitacionais. Esses sinais viajaram por 1,3 bilhão de anos após a fusão de dois buracos negros.

Além disso, os telescópios da NASA e o LIGO ajudaram os cientistas a descobrirem que Einstein estava certo sobre outra coisa: ondas gravitacionais e ondas de luz viajam na mesma velocidade.

Sol atrasando sinais de rádio 

A comunicação de naves espaciais através de ondas de rádio também mostrou que Einstein estava certo quanto à relatividade geral. Em 1970, o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA anunciou que as sondas Mariner VI e VII, que completaram a missão em Marte em 1969, realizaram experimentos usando sinais de rádio. Usando a Deep Space Network (DSN), as duas naves fizeram centenas de medições de rádio e os pesquisadores mediram o tempo que levou para os sinais viajarem da antena localizada na Califórnia para a espaçonave e vice-versa.

Como Einstein teria previsto, houve um atraso no tempo total de ida e volta por causa da gravidade do Sol, comprovando que a gravidade de um objeto massivo - como nossa estrela - muda o caminho da luz e, por consequência, muda também as ondas do espectro eletromagnético que viajam junto dela no vácuo do espaço. Por isso, os sinais de rádio acabam sofrendo atraso de alguns microssegundos.

A órbita da Terra também é uma prova

Em 2004, a NASA lançou uma sonda chamada Gravity Probe B, projetada especialmente para conferir a teoria de Einstein na órbita da Terra. A teoria diz que sendo a Terra um corpo em rotação, ela deve puxar o tecido do espaço-tempo ao seu redor enquanto gira, além de distorcer a luz com sua gravidade.

A sonda tinha quatro giroscópios e apontou para a estrela IM Pegasi, enquanto orbitava a Terra sobre os pólos. Nesse experimento, se Einstein estivesse errado, esses giroscópios sempre apontariam na mesma direção. Mas em 2011, os cientistas anunciaram que haviam observado pequenas mudanças nas direções dos giroscópios. A explicação para isso é que a gravidade da Terra estava lentamente arrastando o espaço-tempo ao seu redor.

Fonte: NASA

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