A relatividade geral puxa a gravidade.

Uma manifestação da relatividade geral são as ondas gravitacionais, representadas aqui como criadas por dois buracos negros em colisão. Crédito da imagem: R. Hurt/Caltech-JPL

A relatividade geral é a compreensão do físico Albert Einstein de como a gravidade afeta o tecido do espaço-tempo.

A teoria, que Einstein publicou em 1915, expandiu a teoria da relatividade especial que ele havia publicado 10 anos antes. A relatividade especial argumentou que o espaço e o tempo estão inextricavelmente conectados, mas essa teoria não reconhecia a existência da gravidade.

Einstein passou uma década entre as duas publicações determinando que objetos particularmente massivos deformam o tecido do espaço-tempo, uma distorção que se manifesta como gravidade, de acordo com a NASA.

COMO FUNCIONA A RELATIVIDADE GERAL?

Para entender a relatividade geral, primeiro vamos começar com a gravidade, a força de atração que dois objetos exercem um sobre o outro. Sir Isaac Newton quantificou a gravidade no mesmo texto em que formulou suas três leis do movimento, os "Principia".

A força gravitacional que puxa entre dois corpos depende da massa de cada um e da distância entre os dois, de acordo com a NASA. Mesmo quando o centro da Terra está puxando você em direção a ele (mantendo você firmemente alojado no chão), seu centro de massa está puxando para trás a Terra. Mas o corpo mais maciço mal sente o seu puxão, enquanto com sua massa muito menor você se encontra firmemente enraizado graças a essa mesma força. No entanto, as leis de Newton assumem que a gravidade é uma força inata de um objeto que pode agir à distância.

Albert Einstein, em sua teoria da relatividade especial, determinou que as leis da física são as mesmas para todos os observadores não acelerados e ele mostrou que a velocidade da luz no vácuo é a mesma, não importa a velocidade com que um observador viaja, de acordo com a Wired. 

Como resultado, ele descobriu que espaço e tempo estavam entrelaçados em um único continuum conhecido como espaço-tempo. E eventos que ocorrem ao mesmo tempo para um observador podem ocorrer em momentos diferentes para outro.

Enquanto elaborava as equações para sua teoria geral da relatividade, Einstein percebeu que objetos massivos causavam uma distorção no espaço-tempo. Imagine colocar um objeto grande no centro de uma cama elástica. O objeto pressionaria o tecido, fazendo com que ele ficasse com uma depressão. Se você tentar rolar uma bola de gude ao redor da borda da cama elástica, a bola de gude espiralaria para dentro em direção ao corpo, puxada da mesma maneira que a gravidade de um planeta puxa as rochas no espaço. 

LENTE GRAVITACIONAL

A luz se curva em torno de um objeto massivo, como um buraco negro, fazendo com que ele atue como uma lente para as coisas que estão por trás dele. Os astrônomos usam rotineiramente esse método para estudar estrelas e galáxias atrás de objetos massivos.

A Cruz de Einstein, um quasar na constelação de Pegasus, segundo a Agência Espacial Europeia (ESA), é um excelente exemplo de lente gravitacional. O quasar é visto como era há cerca de 11 bilhões de anos; a galáxia atrás dela está cerca de 10 vezes mais próxima da Terra. Como os dois objetos se alinham com tanta precisão, quatro imagens do quasar aparecem ao redor da galáxia porque a intensa gravidade da galáxia desvia a luz vinda do quasar.

Em casos como a cruz de Einstein, as diferentes imagens do objeto gravitacional aparecem simultaneamente, mas nem sempre é esse o caso. Os cientistas também conseguiram observar exemplos de lentes em que, como a luz que viaja ao redor da lente segue caminhos diferentes de comprimentos diferentes, imagens diferentes chegam em momentos diferentes, como no caso de uma supernova particularmente interessante.

A Cruz de Einstein é um exemplo de lente gravitacional. Crédito da imagem: NASA e Agência Espacial Europeia (ESA)

MUDANÇAS NA ÓRBITA DE MERCÚRIO

A órbita de Mercúrio está mudando muito gradualmente ao longo do tempo devido à curvatura do espaço-tempo em torno do Sol massivo, de acordo com a NASA. 

Como o planeta mais próximo do sol, o periélio de Mercúrio (o ponto ao longo de sua órbita que está mais próximo do sol) deverá seguir uma direção ligeiramente diferente ao longo do tempo. Sob as previsões de Newton, as forças gravitacionais no sistema solar devem avançar a precessão de Mercúrio (mudança em sua orientação orbital) é medida em 5.600 segundos de arco por século (1 segundo de arco é igual a 1/3600 de um grau). No entanto, há uma discrepância de 43 segundos de arco por século, algo que a teoria da relatividade geral de Einstein explica. Usando a teoria do espaço-tempo curvo de Einstein, a precessão do periélio de Mercúrio deve avançar um pouco mais do que sob as previsões de Newton, já que os planetas não orbitam o Sol em uma órbita elíptica estática. 

Com certeza, vários trabalhos de pesquisa publicados desde meados do século 20 confirmaram que os cálculos de Einstein da precessão do periélio de Mercúrio são precisos.  

Em alguns bilhões de anos, essa oscilação pode até fazer com que o planeta mais interno colida com o sol ou um planeta.

ARRASTO DE REFERENCIAIS DO ESPAÇO-TEMPO EM TORNO DE CORPOS EM ROTAÇÃO

A rotação de um objeto pesado, como a Terra, deve torcer e distorcer o espaço-tempo ao seu redor. Em 2004, a NASA lançou o Gravity Probe B (GP-B). Os eixos dos giroscópios calibrados com precisão do satélite se desviaram muito ligeiramente ao longo do tempo, de acordo com a NASA, um resultado que combinava com a teoria de Einstein.

“Imagine a Terra como se estivesse imersa em mel”, disse o pesquisador principal da Gravity Probe-B , Francis Everitt, da Universidade de Stanford, em um comunicado da NASA sobre a missão.

"À medida que o planeta gira, o mel ao redor dele gira, e é o mesmo com espaço e tempo. GP-B confirmou duas das previsões mais profundas do universo de Einstein, com implicações de longo alcance em toda a pesquisa astrofísica."

REDSHIFT GRAVITACIONAL

A radiação eletromagnética de um objeto é esticada ligeiramente dentro de um campo gravitacional. Pense nas ondas sonoras que emanam de uma sirene em um veículo de emergência; à medida que o veículo se move em direção a um observador, as ondas sonoras são comprimidas, mas à medida que se afasta, elas são esticadas ou desviadas para o vermelho. Conhecido como Efeito Doppler, o mesmo fenômeno ocorre com ondas de luz em todas as frequências.

Na década de 1960, de acordo com a American Physical Society, os físicos Robert Pound e Glen Rebka dispararam raios gama primeiro para baixo, depois para o lado de uma torre na Universidade de Harvard. Pound e Rebka descobriram que os raios gama mudaram ligeiramente de frequência devido a distorções causadas pela gravidade.

ONDAS GRAVITACIONAIS

Einstein previu que eventos violentos, como a colisão de dois buracos negros, criam ondulações no espaço-tempo conhecidas como ondas gravitacionais. E em 2016, o Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) anunciou que havia detectado tal sinal pela primeira vez.

Essa detecção ocorreu em 14 de setembro de 2015. O LIGO, composto por instalações gêmeas em Louisiana e Washington, havia sido atualizado recentemente e estava em processo de calibração antes de entrar em operação. A primeira detecção foi tão grande que, de acordo com a então porta-voz do LIGO, Gabriela Gonzalez, a equipe levou vários meses de análise para se convencer de que era um sinal real e não uma falha.

"Tivemos muita sorte na primeira detecção que era tão óbvio", disse ela durante a reunião da 228 American Astronomical Society em junho de 2016.

Desde então, os cientistas começaram a capturar rapidamente as ondas gravitacionais. Ao todo, o LIGO e seu colega europeu Virgo detectaram um total de 50 eventos de ondas gravitacionais, de acordo com funcionários do programa, em conformidade com o Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory.

Essas colisões incluíram eventos incomuns, como uma colisão com um objeto que os cientistas não podem identificar definitivamente como buraco negro ou estrela de nêutrons, estrelas de nêutrons fundidas acompanhadas por uma explosão brilhante, colisões de buracos negros incompatíveis e muito mais.

OBSERVAÇÃO DE ESTRELAS DE NÊUTRONS

O conceito de um artista de um pulsar rotativo. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech

Em 2021, uma pesquisa publicada na revista Physical Review X desafiou várias das previsões de Einstein, ao observar um sistema de pulsar duplo a cerca de 2.400 anos-luz da Terra. Cada uma das sete previsões da relatividade geral foi confirmada pelo estudo.  

Os pulsares são um tipo de estrela de nêutrons que parece pulsar devido a feixes de radiação eletromagnética e que estão emitindo de seus polos magnéticos. 

Os objetos de testes, os pulsares giram muito rápido, cerca de 44 vezes por segundo, e são 30% mais massivos que o sol, mas têm apenas 24 quilômetros (cerca de 15 milhas) de diâmetro, tornando-os incrivelmente densos. Isso significa que sua atração gravitacional é imensa, por exemplo, na superfície de uma estrela de nêutrons a gravidade é cerca de 1 bilhão de vezes mais forte do que atração na superfície da Terra. Isso torna as estrelas de nêutrons um ótimo objeto de teste para desafiar as previsões das teorias de Einstein, como a capacidade da gravidade de dobrar a luz. 

“Acompanhamos 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”, disse a professora Ingrid Stairs, da Universidade da Colúmbia Britânica em Vancouver, em comunicado. 

"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 tal experimento foi conduzido em uma curvatura tão alta do espaço-tempo", acrescenta Stairs. 

♦ Todos os artigos baseados em tópicos são determinados por verificadores de fatos como corretos e relevantes no momento da publicação. Texto e imagens podem ser alterados, removidos ou adicionados como uma decisão editorial para manter as informações atualizadas.

RECURSOS ADICIONAIS

• Relatividade: A Especial e a Teoria Geral - Edição do 100º Aniversário
• A Natureza do Espaço e do Tempo (Série de Palestras do Instituto Isaac Newton, 3) 
• O livro de física: Grandes ideias simplesmente explicadas

Junte-se aos nossos Canais Espaciais para continuar falando sobre o espaço nas últimas missões, céu noturno e muito mais! Siga-nos no facebook e no twitter. Inscreva-se no boletim informativo. E se você tiver uma dica, correção ou comentário, informe-nos aqui ou pelo e-mail: gaiaciencia@gaiaciencia.com.br

Referência:

TILLMAN, Nola Taylor; BARTELS, Meghan; DUTFIELD, Scott. Einstein's theory of general relativity. Space, 05, jan. 2022. Disponível em: <https://www.space.com/17661-theory-general-relativity.html>. Acesso em: 26, mar. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.