Há mais de cem anos, em 29 de maio de 1919, astrônomos observaram um eclipse solar total em um esforço ambicioso para testar a teoria geral da relatividade de Albert Einstein vendo-a em ação. 

Buraco negro supermassivo em órbita estelar. Crédito: Nicolle Fuller / National Science Foundation

Essencialmente, Einstein pensava que o espaço e o tempo estavam entrelaçados em um “tecido” infinito, como um cobertor esticado. Um objeto massivo como o Sol dobra o cobertor do espaço-tempo com sua gravidade, de forma que a luz não viaja mais em linha reta ao passar pelo sol.

Isso significa que as posições aparentes das estrelas de fundo vistas perto do Sol no céu, inclusive durante um eclipse solar, devem parecer ligeiramente deslocadas na ausência do Sol, porque a gravidade do Sol desvia a luz. Mas até o experimento do eclipse, ninguém foi capaz de testar a teoria da relatividade geral de Einstein, já que ninguém poderia ver estrelas perto do Sol durante o dia de outra forma.

O mundo celebrou os resultados desse experimento do eclipse, uma vitória de Einstein e o início de uma nova era de nossa compreensão do universo.

A relatividade geral tem muitas consequências importantes para o que vemos no cosmos e como fazemos descobertas no espaço profundo hoje. O mesmo é verdade para a teoria um pouco mais antiga de Einstein, a relatividade especial, com sua amplamente celebrada equação E=mc². Aqui estão 10 coisas que resultam das teorias da relatividade de Einstein:

Esta imagem, construída a partir de mais de seis anos de observações pelo Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA, é a primeira a mostrar como todo o céu aparece com energias entre 50 bilhões (GeV) e 2 trilhões de elétron-volts (TeV). Para efeito de comparação, a energia da luz visível cai entre cerca de 2 e 3 elétron-volts. Crédito: NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration

1. Limite da velocidade universal

A famosa equação de Einstein E=mc² contém “c”, a velocidade da luz no vácuo. Embora a luz venha em muitos sabores, desde o arco-íris de cores que os humanos podem ver até as ondas de rádio que transmitem dados da nave. Einstein disse que toda luz deve obedecer ao limite de velocidade de 186.000 milhas (300.000 quilômetros) por segundo. Portanto, mesmo que duas partículas de luz carreguem quantidades muito diferentes de energia, elas viajarão na mesma velocidade.

Isso foi demonstrado experimentalmente no espaço. Em 2009, o Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA detectou dois fótons virtualmente ao mesmo tempo, com um carregando um milhão de vezes mais energia do que o outro. Ambos vieram de uma região de alta energia perto da colisão de duas estrelas de nêutrons há cerca de 7 bilhões de anos. Uma estrela de nêutrons é o remanescente altamente densa de uma estrela que explodiu. Enquanto outras teorias postulam que o próprio espaço-tempo tem uma textura "espumosa" que pode desacelerar as partículas mais energéticas, as observações de Fermi foram favoráveis a Einstein.

Uma formação de galáxias parece formar um rosto sorridente. Duas bolhas amarelas penduradas no topo de um amplo arco de luz. A galáxia inferior, em forma de arco, tem a forma característica de uma galáxia que foi submetida a lentes gravitacionais, sua luz passou perto de um objeto massivo a caminho de nós, fazendo com que se tornasse distorcida e fora de forma. Crédito: ESA / Hubble & NASA; Agradecimento: Judy Schmidt (geckzilla)

2. Lente forte

Assim como o Sol desvia a luz de estrelas distantes que passam perto dele, um objeto massivo como uma galáxia distorce a luz de outro objeto que está muito mais longe. Em alguns casos, esse fenômeno pode realmente nos ajudar a desvendar novas galáxias. Dizemos que o objeto mais próximo age como uma “lente”, agindo como um telescópio que revela o objeto mais distante. Aglomerados inteiros de galáxias podem ser lidos e agir como lentes também.

Quando o objeto da lente parece perto o suficiente do objeto mais distante no céu, na verdade vemos várias imagens desse objeto distante. Em 1979, os cientistas observaram pela primeira vez uma imagem dupla de um quasar, um objeto muito brilhante no centro de uma galáxia que envolve um buraco negro supermassivo que se alimenta de um disco de gás que o adentra. Essas cópias aparentes do objeto distante mudam de brilho se o objeto original está mudando, mas não de uma vez, por causa de como o próprio espaço é dobrado pela gravidade do objeto em primeiro plano.

Às vezes, quando um objeto celeste distante está precisamente alinhado com outro objeto, vemos a luz dobrada em um "anel de Einstein" ou arco. Nesta imagem do telescópio espacial Hubble da NASA, o amplo arco de luz representa uma galáxia distante que foi fotografada, formando um "rosto sorridente" com outras galáxias.

Mapa de matéria escura feito a partir de medições de lentes gravitacionais de 26 milhões de galáxias no Dark Energy Survey. Crédito: Chihway Chang / Kavli Institute for Cosmological Physics da University of Chicago / DES Collaboration

3. Lente fraca

Quando um objeto massivo atua como uma lente para um objeto mais distante, mas os objetos não estão especialmente alinhados em relação à nossa visão, apenas uma imagem do objeto distante é projetada. Isso acontece com muito mais frequência. A gravidade do objeto mais próximo faz com que o objeto de fundo pareça maior e mais esticado do que realmente é. Isso é chamado de "lente fraca".

Lentes fracas são muito importantes para estudar alguns dos maiores mistérios do universo: matéria escura e energia escura. A matéria escura é um material invisível que só interage com a matéria regular por meio da gravidade e mantém juntas galáxias inteiras e grupos de galáxias como uma cola cósmica. A energia escura se comporta como o oposto da gravidade, fazendo com que os objetos se afastem uns dos outros. Três próximos observatórios - o Wide Field Infrared Survey Telescope da NASA, WFIRST em missão, a missão espacial Euclid liderada pela Europa com a participação da NASA e o Large Synoptic Survey Telescope baseado em terra, serão os principais participantes neste esforço. Ao pesquisar distorções de galáxias com lentes fracas em todo o universo, os cientistas podem caracterizar os efeitos desses fenômenos persistentemente intrigantes.

As lentes gravitacionais em geral também permitirão ao telescópio espacial James Webb da NASA procurar algumas das primeiras estrelas e galáxias do universo.

Conforme um exoplaneta passa na frente de uma estrela mais distante, sua gravidade faz com que a trajetória da luz estelar se curve e, em alguns casos, resulta em um breve brilho da estrela de fundo, visto por um telescópio. A animação artística ilustra esse efeito. Este fenômeno de microlente gravitacional permite aos cientistas pesquisar exoplanetas que estão muito distantes e escuros para detectar qualquer outra forma. Crédito: NASA Ames / JPL-Caltech / T. Pyle

4. Microlente

Até agora, falamos sobre objetos gigantes agindo como lentes de aumento para outros objetos gigantes. Mas as estrelas também podem "objetivar" outras estrelas, incluindo estrelas que têm planetas ao seu redor. Quando a luz de uma estrela de fundo é "direcionada" por uma estrela mais próxima no primeiro plano, há um aumento no brilho da estrela de fundo. Se essa estrela de primeiro plano também tem um planeta orbitando, os telescópios podem detectar uma saliência extra na luz da estrela de fundo, causada pelo planeta em órbita. Esta técnica para encontrar exoplanetas, que são planetas ao redor de estrelas diferentes da nossa, é chamada de "microlente".

O Telescópio Espacial Spitzer da NASA, em colaboração com observatórios baseados em terra, encontrou um planeta "bola de gelo" por meio de microlentes. Embora a microlente tenha encontrado até agora menos de 100 planetas confirmados, o WFIRST pode encontrar mais de 1.000 novos exoplanetas usando esta técnica.

Esta é a primeira foto de um buraco negro. Usando o Event Horizon Telescope, os cientistas obtiveram uma imagem do buraco negro no centro da galáxia M87. Crédito: Colaboração Event Horizon Telescope

5. Buracos negros

A própria existência de buracos negros, objetos extremamente densos dos quais nenhuma luz pode escapar, é uma previsão da relatividade geral. Eles representam as distorções mais extremas da estrutura do espaço-tempo e são especialmente famosos por como sua imensa gravidade afeta a luz de maneiras estranhas que apenas a teoria de Einstein poderia explicar.

Em 2019, a colaboração internacional Event Horizon Telescope, apoiada pela National Science Foundation e outros parceiros, revelou a primeira imagem do horizonte de eventos de um buraco negro, a fronteira que define o “ponto sem retorno” de um buraco negro para o material próximo. Chandra X-ray Observatory, Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR), Neil Gehrels Swift Observatory e Fermi Gamma-ray Space Telescope observaram o mesmo buraco negro em um esforço coordenado, e os pesquisadores ainda estão analisando os resultados.

A galáxia M87, fotografada aqui pelo Telescópio Espacial Spitzer da NASA,  é o lar de um buraco negro supermassivo que expele dois jatos de material para o espaço quase à velocidade da luz. A inserção mostra uma visão de perto das ondas de choque criadas pelos dois jatos. Crédito: NASA / JPL-Caltech / IPAC

6. Jatos Relativísticos

Esta imagem do Spitzer mostra a galáxia Messier 87 (M87) em luz infravermelha, que tem um buraco negro supermassivo em seu centro. Em torno do buraco negro está um disco de gás extremamente quente, bem como dois jatos do material disparando em direções opostas. Um dos jatos, visível à direita da imagem, está apontando quase exatamente para a Terra. Seu brilho aprimorado é devido à emissão de luz de partículas que viajam em direção ao observador perto da velocidade da luz, um efeito chamado de “feixe relativístico”. Em contraste, o outro jato é invisível em todos os comprimentos de onda porque está se afastando do observador próximo à velocidade da luz. Os detalhes de como esses jatos funcionam ainda são misteriosos e os cientistas continuarão estudando os buracos negros em busca de mais pistas.

A impressão deste artista retrata o disco de acreção em torno de um buraco negro, no qual a região interna do disco faz precessão. “Precessão” significa que a órbita do material ao redor do buraco negro muda a orientação em torno do objeto central. Crédito: ESA / ATG medialab

7. Um Vórtice Gravitacional

Falando em buracos negros, sua gravidade é tão intensa que eles fazem com que o material caia “oscile” ao seu redor. Como uma colher mexendo o mel, onde o mel é o espaço ao redor de um buraco negro, a distorção do espaço do buraco negro tem um efeito de oscilação no material que orbita o buraco negro. Até recentemente, isso era apenas teórico. Mas em 2016, uma equipe internacional de cientistas usando o XMM-Newton da Agência Espacial Europeia e o Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NUSTAR) da NASA anunciaram que observaram a assinatura de matéria oscilante pela primeira vez. Os cientistas continuarão a estudar esses estranhos efeitos dos buracos negros para investigar as ideias de Einstein em primeira mão.

A propósito, essa oscilação de material em torno de um buraco negro é semelhante a como Einstein explicou a órbita ímpar de Mercúrio. Como o planeta mais próximo do Sol, Mercúrio sente o puxão mais gravitacional do Sol e, portanto, a orientação de sua órbita gira lentamente em torno do Sol, criando uma oscilação.

O LIGO avançado viu ondas gravitacionais de dois buracos negros que se fundiram a mais de um bilhão de anos-luz da Terra. Esta simulação de computador mostra (em câmera lenta) como seria de perto. Se este filme fosse reproduzido em tempo real, duraria cerca de um terço de segundo. Crédito: SXS Lensing

8. Ondas gravitacionais

Ondulações através do espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais foram postuladas por Einstein cerca de 100 anos atrás, mas não foram realmente observadas até recentemente. Em 2016, uma colaboração internacional de astrônomos trabalhando com detectores do Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser (LIGO) anunciou uma descoberta marcante: este enorme experimento detectou o sinal sutil de ondas gravitacionais que viajaram por 1,3 bilhão de anos após dois buracos negros se fundirem em um evento cataclísmico. Isso abriu uma nova porta em uma área da ciência chamada astronomia multi-mensageiro, na qual tanto as ondas gravitacionais quanto a luz podem ser estudadas.

Por exemplo, os telescópios da NASA colaboraram para medir a luz de duas estrelas de nêutrons que se fundiram após o LIGO detectar sinais de ondas gravitacionais do evento, conforme anunciado em 2017. Dado que as ondas gravitacionais deste evento foram detectadas em meros 1,7 segundos antes dos raios gama da fusão, após ambos viajarem 140 milhões de anos-luz, os cientistas concluíram que Einstein estava certo sobre outra coisa: as ondas gravitacionais e as ondas de luz viajam na mesma velocidade.

Conforme representado nesta ilustração, a Cassini mergulhou na atmosfera de Saturno em 15 de setembro de 2017. Crédito: NASA / JPL-Caltech

9. O Sol atrasando os sinais de rádio

As espaçonaves de exploração planetária também mostraram que Einstein estava certo sobre a relatividade geral. Como as espaçonaves se comunicam com a Terra usando luz, na forma de ondas de rádio, elas apresentam grandes oportunidades de ver se a gravidade de um objeto massivo como o Sol muda o caminho da luz.

Em 1970, o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA anunciou que a Mariner VI e VII, que completou voos de Marte em 1969, havia conduzido experimentos usando sinais de rádio e também concordado com Einstein. Usando a Deep Space Network (DSN) da NASA, os dois marinheiros fizeram várias centenas de medições de rádio para esse propósito. Os pesquisadores mediram o tempo que os sinais de rádio levaram para viajar da antena DSN em Goldstone, 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. Para o Mariner VI, o atraso máximo foi de 204 microssegundos, que, embora seja inferior a um único segundo, estava alinhado quase exatamente com o que a teoria de Einstein poderia antecipar.

Em 1979, as sondas Viking realizaram um experimento ainda mais preciso ao longo dessas linhas. Então, em 2003, um grupo de cientistas usou a nave espacial Cassini da NASA para repetir esses tipos de experimentos científicos de rádio com uma precisão 50 vezes maior do que a Viking. É claro que a teoria de Einstein se manteve!

Conceito da nave espacial Gravity Probe B. Uma colagem de imagens foi editada para formar o veículo espacial completo. Crédito: Katherine Stephenson, Stanford University e Lockheed Martin Corporation

10. Prova a partir da Orbita da Terra

Em 2004, a NASA lançou uma espaçonave chamada Gravity Probe B, projetada especificamente para observar a teoria de Einstein se desenrolar na órbita da Terra. A teoria diz que a Terra, um corpo em rotação, deveria estar puxando o tecido do espaço-tempo ao seu redor enquanto gira, além de distorcer a luz com sua gravidade.

A espaçonave tinha quatro giroscópios e apontava para a estrela IM Pegasi enquanto orbitava a Terra sobre os polos. Nesse experimento, se Einstein estivesse errado, esses giroscópios sempre apontariam na mesma direção. Mas em 2011, os cientistas anunciaram que observaram pequenas mudanças nas direções dos giroscópios como consequência da Terra, por causa de sua gravidade, arrastando o espaço-tempo ao seu redor.

O Sistema de Posicionamento Global ou GPS é um sistema de radionavegação baseado no espaço dos Estados Unidos que ajuda a localizar uma posição tridimensional com cerca de um metro de precisão (por exemplo, latitude, longitude e altitude) e fornece um tempo preciso de nanossegundos em qualquer lugar da Terra. Crédito: NASA

Bônus: Seu GPS!

Falando em atrasos, o GPS (sistema de posicionamento global) no seu telefone ou no seu carro se baseia nas teorias de Einstein para precisão. Para saber onde você está, você precisa de um receptor - como seu telefone, uma estação terrestre e uma rede de satélites orbitando a Terra para enviar e receber sinais. Mas, de acordo com a relatividade geral, devido à curvatura do espaço-tempo da gravidade da Terra, os satélites experimentam o tempo se movendo um pouco mais rápido do que na Terra. Ao mesmo tempo, a relatividade especial diria que o tempo passa mais devagar para objetos que se movem muito mais rápido do que outros.

Quando os cientistas calcularam o efeito líquido dessas forças, eles descobriram que os relógios dos satélites sempre estariam um pouquinho à frente dos relógios da Terra. Embora a diferença por dia seja uma questão de milionésimos de segundo, essa mudança realmente faz sentido. Se o GPS não tivesse relatividade embutida em sua tecnologia, seu telefone o guiaria por quilômetros para fora do seu caminho!

Originalmente publicado em: SciTechDaily