3832: Astrofísicos confirmam pedra angular da Teoria da Relatividade Geral de Einstein

CIÊNCIA/ASTROFÍSICA

Impressão de artista do pulsar e da sua companheira anã branca mais próxima com as suas órbitas e a segunda companheira no plano de fundo. O sistema não está à escala.
Crédito: Guillaume Voisin

Uma colaboração internacional de cientistas registou a confirmação mais precisa, até ao momento, de uma das pedras angulares da teoria da relatividade geral de Einstein, “a universalidade da queda livre”.

A nova investigação mostra que a teoria é válida para objectos fortemente auto-gravitantes, como estrelas de neutrões. Usando um radiotelescópio, os cientistas podem observar com muita precisão o sinal produzido pelos pulsares, um tipo de estrela de neutrões e testar a validade da teoria da gravidade de Einstein para estes objectos extremos. Em particular, a equipa analisou os sinais de um pulsar chamado PSR J0337+1715 registados pelo grande radiotelescópio de Nançay, localizado no coração de Sologne (França).

A universalidade do princípio de queda livre afirma que dois corpos a caírem num campo gravitacional sofrem a mesma aceleração independentemente da sua composição. Isto foi demonstrado pela primeira vez por Galileu, que teria largado objectos de diferentes massas do topo da Torre de Pisa para verificar se ambos alcançavam o chão simultaneamente.

Este princípio também está no cerne da teoria da relatividade geral de Einstein. No entanto, algumas dicas, como a inconsistência entre a mecânica quântica e a relatividade geral, ou o enigma do domínio da matéria escura e da energia escura na composição do Universo, levaram muitos físicos a pensar que a relatividade geral pode não ser, afinal, a teoria final da gravidade.

As observações do Pulsar J0337+1715, que é uma estrela de neutrões com um núcleo estelar que tem 1,44 vezes a massa do Sol e que colapsou numa esfera com apenas 25 km de diâmetro, mostra que orbita duas anãs brancas que são muito mais fracas em termos de campo gravitacional. As descobertas, publicadas na revista Astronomy & Astrophysics, demonstra que a universalidade do princípio da queda livre está correta.

O Dr. Guillaume Voisin, da Universidade de Manchester, que liderou o estudo, disse: “O pulsar emite um feixe de ondas de rádio que varre o espaço. A cada volta, cria um flash de rádio que é registado com alta precisão pelo radiotelescópio de Nançay. À medida que o pulsar se move na sua órbita, o tempo de chegada da luz à Terra muda. É a medição precisa e a modelagem matemática, com uma precisão de nanos-segundos, desses tempos de chegada, que permite aos cientistas inferir com precisão requintada o movimento da estrela de neutrões.

“Acima de tudo, é a configuração única desse sistema, semelhante ao sistema Terra-Lua-Sol, com a presença de uma segunda companheira (a desempenhar o papel do Sol) em direcção à qual as duas outras estrelas “caem” (orbitam), que permitiu executar uma versão estelar da famosa experiência de Galileu na torre de Pisa. Dois corpos de composições diferentes caem com a mesma aceleração no campo gravitacional de um terceiro corpo.”

As medições foram obtidas por uma equipa colaborativa da Universidade de Manchester, do Observatório de Paris, do CNRS Francês (Centre national de la recherche scientifique), do LPC2E (Laboratoire de Physique et de Chimie de l’Environnement et de l’Espace, Orleães, França), e do Instituto Max Planck para Radioastronomia. O pulsar orbita duas anãs brancas, uma das quais orbita o pulsar em apenas 1,6 dias a uma distância cerca de 10 vezes inferior à distância Mercúrio-Sol. Este sistema binário, um pouco como a Terra e a Lua no Sistema Solar, orbita uma terceira estrela, uma anã branca com 40% da massa do Sol, localizada pouco mais da distância que separa o sistema Terra-Lua do Sol.

No Sistema Solar, a Lunar-laser ranging experiment permitiu verificar que a Lua e a Terra são identicamente afectadas pelo campo de gravidade do Sol, conforme previsto pela universalidade da queda livre (o movimento orbital é uma forma de queda livre). No entanto, sabe-se que alguns desvios à universalidade podem ocorrer apenas para corpos fortemente auto-gravitantes, como estrelas de neutrões, que são objectos cuja massa é composta significativamente da sua própria energia gravitacional graças à famosa relação E=mc^2 de Einstein. A nova experiência de pulsar realizada pela equipa preenche a lacuna deixada pelos testes do Sistema Solar, onde nenhum objecto é fortemente auto-gravitante, nem mesmo o Sol.

A equipa demonstrou que o campo gravitacional extremo do pulsar não pode diferir em mais de 1,8 partes por milhão (com um nível de confiança de 95%) da previsão da relatividade geral. Este resultado é a confirmação mais precisa de que a universalidade da queda livre é válida mesmo na presença de um objecto cuja massa é em grande parte devida ao seu próprio campo de gravidade, apoiando assim a teoria da relatividade geral de Einstein.

Astronomia On-line
12 de Junho de 2020

 

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3502: Equipa descobre método de aprimorar imagens de buracos negros

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

A imagem de um buraco negro tem um anel brilhante de emissão em redor de uma “sombra” provocada pelo objecto monstruoso. Este anel é composto de uma série de sub-anéis cada vez mais nítidos que correspondem ao número de órbitas que os fotões deram antes de chegar ao observador.
Crédito: George Wong (UIUC) e Michael Johnson (CfA)

No passado mês de Abril, o EHT (Event Horizon Telescope) despertou entusiasmo internacional ao revelar a primeira imagem de um buraco negro. E agora uma equipa de investigadores publicou novos cálculos que preveem uma subestrutura impressionante e intrincada nas imagens de buracos negros devido à extrema curvatura gravitacional da luz.

“A imagem de um buraco negro na verdade contém uma série aninhada de anéis,” explica Michael Johnson do Centro para Astrofísica de Harvard e Smithsonian. “Cada anel sucessivo tem aproximadamente o mesmo diâmetro, mas torna-se cada vez mais nítido porque a sua luz orbitou o buraco negro mais vezes antes de chegar ao observador. Com a imagem actual do EHT, captámos apenas um vislumbre de toda a complexidade que deve surgir na imagem de qualquer buraco negro.”

Dado que os buracos negros capturam todos os fotões que cruzam o seu horizonte de eventos, lançam uma sombra na sua brilhante emissão circundante do gás quente presente. Um “anel de fotões” envolve esta sombra, produzida a partir da luz que é concentrada pela forte gravidade próxima do buraco negro. Este anel de fotões transporta a impressão digital do buraco negro – o seu tamanho e forma codificam a massa e a rotação do buraco negro. Com as imagens EHT, os investigadores de buracos negros têm uma nova ferramenta para estudar estes objectos extraordinários.

“Este é um momento extremamente emocionante para se pensar na física dos buracos negros,” diz Daniel Kapec, membro da Escola de Ciências Naturais do Instituto de Estudos Avançados. “A teoria da relatividade geral de Einstein faz uma série de previsões impressionantes para os tipos de observações que finalmente estão a chegar ao nosso alcance, e penso que podemos esperar muitos avanços nos próximos anos. Como teórico, acho a rápida convergência entre teoria e experiências especialmente gratificante e espero que possamos continuar a isolar e a observar previsões mais universais da relatividade geral à medida que estas experiências se tornam mais sensíveis.”

A equipa de investigação inclui astrónomos observacionais, físicos teóricos e astrofísicos.

“Reunir especialistas de diferentes áreas permitiu-nos realmente ligar um entendimento teórico do anel de fotões com o que é possível com a observação,” observa George Wong, estudante de física da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. Wong desenvolveu um software para produzir imagens simuladas de buracos negros em resoluções mais altas do que as calculadas anteriormente e para decompor estas imagens na série prevista de sub-imagens. “O que começou como cálculos clássicos de lápis e papel levou-nos a empurrar as nossas simulações a novos limites.”

Os cientistas também descobriram que a subestrutura da imagem do buraco negro cria novas possibilidades para observar buracos negros. “O que realmente nos surpreendeu foi que, enquanto as subestruturas aninhadas são quase imperceptíveis a olho nu nas imagens – mesmo em imagens perfeitas – são sinais fortes e claros em redes de telescópios chamadas interferómetros,” realça Johnson. “Embora a captura de imagens de buracos negros normalmente exija muitos telescópios distribuídos, os sub-anéis são perfeitos para estudar usando apenas dois telescópios separados por grandes distâncias. Adicionar um telescópio espacial ao EHT seria suficiente.”

“A física dos buracos negros sempre foi um assunto sublime, com profundas implicações teóricas,” diz Alex Lupsasca da Sociedade de Harvard. “Como teórico, tenho o prazer de finalmente recolher dados reais sobre estes objectos nos quais temos vindo a pensar abstractamente há tanto tempo.”

Astronomia On-line
20 de Março de 2020

 

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2792: Explosões cósmicas podem ser mais rápidas do que a luz (e respeitar Einstein)

CIÊNCIA

Image Team / Canva

Existem explosões cósmicas que criam explosões de raios gama que podem ser mais rápidas do que a luz nas nuvens de gás circundantes, fazendo-o sem violar a Teoria da Relatividade de Albert Einstein. 

Esta é a conclusão de uma nova investigação levada a cabo por Jon Hakkila, do Charleston College, e Robert Nemiroff, da Michigan University of Technology, recentemente publicada na revista científica especializada The Astrophysical Journal.

De acordo com os cientistas, estes jactos superluminais podem criar a reversibilidade no tempo que se vê nas curvas de luz de explosão de raios gama.

No entanto, explica os cientistas numa nota, estes jactos não violam a lei de Einstein, uma vez que apenas se movem mais rápido do que a luz através do jacto gerado pela explosão, e não mais rápido do que a luz através do vácuo.

Citado em comunicado, e a título de exemplo, Hakkila diz que uma boa forma de visualizar este movimento superluminal é ao imaginar alguém numa margem de um lago a fazer saltar uma pedra sobre a água na direcção de uma outra pessoa.

A pedra que salta move-se pelo ar entre saltos mais rápidos do que as ondas que gera através da água. Segundo Hakkila, a pessoa na outra margem veria as ondas criados por cada salto da pedra que se aproxima em sentido inverso: as ondas do salto mais recente chegariam primeiro do que as do salto final.

A explicação para a explosão superluminal agora apresentada no novo artigo conserva muitas características dos modelos aceites como jactos de raios gama. Contudo, acrescenta Nemiroff, o cenário proposto envolve a radiação de Cherenkov, um tipo de luz criada pelo movimento superluminal que antes não era considerado importante para gerar curvas de luz a partir de explosões de raios gama.

“Os modelos padrão de explosão de raios gama negligenciaram as propriedades da curva de luz reversível ao longo do tempo (…) O movimento do jacto superluminal tem estas propriedades em consideração e mantém um grande número de características do Modelo Padrão”, rematou o cientista.

ZAP //

Por ZAP
7 Outubro, 2019

 

2299: Teoria de Einstein pode não ser a única explicação da gravidade

CIÊNCIA

(dr)
Albert Einstein, Prémio Nobel da Física em 1921

Uma equipa de físicos usou supercomputadores para simular o cosmos partindo de um modelo alternativo à teoria de Albert Einstein.

Físicos sugerem num estudo publicado esta segunda-feira que a Teoria da Relatividade Geral de Einstein poderá não ser a única forma de explicar como funciona a gravidade ou como se formam as galáxias. O estudo, publicado na revista da especialidade “Nature Astronomy”, foi conduzido por investigadores da Universidade de Durham, no Reino Unido.

Segundo a agência noticiosa espanhola Efe, que cita o estudo, uma equipa de físicos usou supercomputadores (computadores com maior capacidade de processamento de dados do que os convencionais) para simular o cosmos partindo de um modelo alternativo à teoria de Albert Einstein (1879-1955), a Teoria dos Camaleões, assim chamada porque muda de comportamento em função do meio envolvente.

De acordo com os cientistas da Universidade de Durham, as galáxias como a Via Láctea poderão ter-se formado segundo leis diferentes das da gravitação.

Publicada em 1915, a Teoria da Relatividade Geral constitui a descrição actual da gravitação na física moderna. Segundo Einstein, a gravitação não é uma força, mas uma curvatura no espaço-tempo provocada por uma massa como o Sol.

Os cientistas sabiam, a partir de cálculos teóricos, que a Teoria dos Camaleões podia reproduzir o sucesso da relatividade no Sistema Solar. O que a equipa da Universidade de Durham terá feito foi demonstrar que esta teoria explica a formação real de galáxias.

Para o físico Christian Arnold, do Instituto de Cosmologia da universidade britânica, as conclusões do estudo não significam que a Teoria da Relatividade Geral “seja incorrecta”, mas revelam, em seu entender, que “não tem que ser a única forma de explicar o papel da gravidade na evolução do Universo”.

O estudo, de acordo com os seus autores, poderá ajudar a compreender a ‘energia escura’, que tende a acelerar a expansão do Universo.

Os cientistas esperam que as conclusões da sua investigação possam ser confirmadas pelo telescópio SKA, que se apresenta como o maior radiotelescópio do mundo, com participação portuguesa, e que deverá começar a operar em 2020.

ZAP // Lusa

Por ZAP
9 Julho, 2019

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2049: Einstein ainda surpreende, 100 anos após o eclipse em São Tomé

Cem anos após o eclipse em São Tomé que provou a Teoria da Relatividade, o cientista continua a gerar descobertas

© Expresso Adaptação da placa comemorativa dos 90 anos da experiência, inaugurada em 2009, na ilha do Príncipe

Ilha do Príncipe, Roça Sundy, 29 de maio de 1919. Astrónomos ingleses liderados por Arthur Eddington observam e fotografam um eclipse total do Sol e conseguem confirmar pela primeira vez experimentalmente a Teoria da Relatividade Geral de Einstein, apresentada em Novembro de 1915 à Academia de Ciências da Prússia. A expedição ao arquipélago de São Tomé e Príncipe, então território português, foi organizada pela Royal Astronomical Society e pela Royal Society. E os seus resultados marcaram a visão que temos hoje do Universo, precisamente 100 anos depois da experiência britânica, feita em simultâneo e com sucesso na cidade de Sobral, no nordeste do Brasil.

Os astrónomos ingleses observaram, usando vários instrumentos, se e em que medida a massa do Sol desviava a luz emitida por estrelas distantes, devido ao efeito da gravidade. A experiência só podia ser realizada obscurecendo a luz solar para tornar visíveis as estrelas à sua volta, o que foi possível graças a um eclipse total previsto para 29 de maio na zona do equador. Os resultados foram apresentados seis meses depois e revelaram que as estrelas observadas perto do disco solar durante o eclipse estavam ligeiramente deslocadas em relação à sua posição normal no céu, na medida prevista pela teoria de Einstein, isto é, 1,7 arcos-segundo. Um arco-segundo é uma medida usada para calcular ângulos e equivale a um ângulo com 1/3600 graus ou um círculo (360 graus) a dividir por 1.296.000.

Para entender o Universo

Mas os 100 anos da experiência de Arthur Eddington não são apenas uma efeméride. “A teoria de Einstein é um dos maiores triunfos do intelecto humano”, afirma ao Expresso Vítor Cardoso, o maior especialista português de buracos negros (ver entrevista). “É através desta teoria que percebemos o Universo, o Big Bang e objectos tão extremos como buracos negros. Em 2016 tivemos o anúncio da primeira detecção de ondas gravitacionais, em 2019 o da primeira foto de um buraco negro. E nada disto teria acontecido sem a expedição de Eddington e a consequente confirmação da Relatividade Geral”, constata o professor catedrático de Física do Instituto Superior Técnico (IST), onde lidera o grupo de investigação da gravidade no Centro de Astrofísica e Gravitação (CENTRA).

Vítor Cardoso falava ao Expresso da Universidade de Harvard (Cambridge, Massachusetts, EUA), depois de ter dado uma palestra no encontro “Black Hole Initiative”, que juntou cientistas do Event Horizon Telescope (EHT) — a rede de telescópios que fotografou pela primeira vez a zona envolvente de um buraco negro — e do observatório de ondas gravitacionais LIGO, bem como físicos teóricos, “para discutir tudo o que se fez, mas sobretudo o que há para fazer”. E o encontro começou precisamente a celebrar a expedição de Eddington.

Cem anos depois desta histórica expedição, a teoria de Einstein continua a ser confirmada por novas experiências. Mas depois da detecção por telescópios espaciais das poderosas emissões energéticas da matéria na vizinhança de buracos negros, da detecção de ondas gravitacionais e da primeira foto da zona envolvente de um buraco negro, o que falta ainda comprovar? E o que falta descobrir? “Existem dois aspectos fundamentais por perceber: como unificar a física quântica (micro-escala) com a gravitação (macro-escala) e o que é a matéria escura”, adianta Vítor Cardoso. “Neste momento, as equações clássicas de Einstein falham no interior de buracos negros e no Big Bang. Isto é, a teoria permite a existência de singularidades (curvaturas infinitas no contínuo do espaço-tempo) como solução matemática”. Por outro lado, “ainda não observámos a radiação de Hawking — radiação térmica emitida por buracos negros devido a efeitos quânticos — e talvez ela tenha informação importante neste aspecto”, salienta o professor do IST.

Os segredos das ondas gravitacionais

E as ondas gravitacionais têm ainda muito para contar. Assim, o que vemos são mesmo buracos negros? São os previstos na teoria de Einstein ou são diferentes, talvez ajudando a resolver o problema das singularidades? Existiram transições repentinas no início do Universo, como se julga? Como é que os buracos negros que vemos hoje nasceram e cresceram? Quantos existem? Há muitas dúvidas para responder. É por isso que o Athena, o futuro telescópio espacial de Raios X da Agência Espacial Europeia (ESA, organização a que Portugal pertence), vai investigar com um pormenor sem precedentes os buracos negros super-maciços que se encontram no centro das galáxias. E a missão espacial LISA (rede de três satélites), também da ESA, vai identificar as ondas gravitacionais em órbita, observando as flutuações de baixa frequência que acontecem quando dois buracos negros super-maciços se fundem e só podem ser detectados do Espaço.

msn notícias
Expresso
Virgílio Azevedo
25/05/2019

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