PSR J0337 + 1715: Uma ilustração do pulsar triplo de milissegundos com seus dois companheiros de anã branca. A malha verde ilustra a curvatura do espaço-tempo causada pelas diferentes massas. O tamanho e as distâncias dos três componentes não estão em escala.
Uma equipe de pesquisa internacional, incluindo astrônomos do Instituto Max Planck de Radioastronomia em Bonn, determinou com extrema precisão que a gravidade faz com que estrelas de nêutrons e estrelas de anã branca caiam com acelerações iguais. Eles fizeram isso rastreando com precisão o movimento do pulsar PSR J0337 + 1715, uma estrela de nêutrons que é membro de um incomum sistema de estrelas triplas. Suas descobertas - alcançadas por um novo método rigoroso e uma combinação de dados de radiotelescópios com as informações mais recentes dos detectores de ondas gravitacionais - fornecem o teste mais forte de uma das previsões mais fundamentais da relatividade geral: a gravidade atrai todos os objetos com a mesma aceleração, sem considerar sua composição, densidade ou força de seu próprio campo gravitacional.
O pulsar PSR J0337 + 1715, localizado na constelação de Touro, é uma estrela de nêutrons de 1,44 massas solares, mostrando pulsos regulares de rádio enquanto gira 366 vezes por segundo em torno de seu próprio eixo. É membro de um incomum sistema de estrelas triplas, em interação mútua com outras duas estrelas, ambas anãs brancas. Uma anã branca já é bastante exótica - uma estrela tipicamente do tamanho da Terra com uma densidade de muitas centenas de quilogramas por centímetro cúbico no centro. Comparada às anãs brancas, uma estrela de nêutrons é realmente extrema, tendo mais massa do que o Sol esmagada em um diâmetro de pouco mais de 20 quilômetros e alcançando densidades de mais de um bilhão de toneladas dentro do volume de um cubo de açúcar.
Uma equipe de pesquisa, liderada por Guillaume Voisin (Centro de Astrofísica do Banco Jodrell / Reino Unido e Observatório de Paris), incluindo Paulo Freire, Norbert Wex e Michael Kramer, do Instituto Max Planck de Radioastronomia, e astrônomos de várias instituições na França, usaram o Radiotelescópio Nançay, localizado na região de Sologne, na França, para medir com precisão os tempos de chegada dos pulsos de rádio do PSR J0337 + 1715 durante um período de oito anos. Eles podem mostrar que estrelas de nêutrons e estrelas de anã branca caem com a mesma aceleração em duas partes por milhão.
Sondando a universalidade da queda livre
Esse recurso, conhecido como universalidade da queda livre, está no fundamento da teoria da relatividade geral de Albert Einstein. “Confirmar com essa precisão constitui um dos testes mais rigorosos da teoria de Einstein já feitos - e a teoria passa no teste com cores vivas”, diz Guillaume Voisin. "Além disso, os resultados também fornecem restrições muito rigorosas às teorias alternativas da gravidade, que competem com a relatividade geral de Einstein para explicar a gravidade e, por exemplo, a energia escura".
A universalidade da queda livre é uma característica única da gravidade: ao contrário de todas as outras interações na natureza, a gravidade atrai todos os objetos materiais com a mesma aceleração. Galileu Galilei supostamente largou vários pesos de tamanhos diferentes da torre inclinada de Pisa para testar isso. Isaac Newton mais tarde considerou este um princípio fundamental da gravidade, apresentando-o sem uma explicação mais profunda. Até agora, o teste mais preciso da universalidade da queda livre foi obtido por um satélite especialmente projetado, chamado Microscope (desenvolvido pelo Centre Nationale d'Études Spatiales, na França). As pequenas massas de prova dentro do satélite mostram acelerações idênticas no campo gravitacional da Terra a melhores que 1 parte em 10 14 .
O pensamento mais afortunado de Einstein
Após a publicação da teoria da relatividade especial em 1905, Einstein começou a pensar em como combinar sua nova teoria com a gravidade, uma vez que a lei da gravidade de Newton é incompatível com seu novo princípio de relatividade. No outono de 1907, surgiu uma idéia: para alguém em queda livre é como se a gravidade tivesse sido desligada, pois, devido à universalidade da queda livre, tudo em seu ambiente acelera da mesma maneira. Esse insight simples, mas profundo, levou Einstein a entender que a gravidade é uma manifestação do espaço-tempo curvo, atuando em todas as massas da mesma maneira, um conceito que está no centro de sua teoria geral da relatividade. Mais tarde, ele descreveu essa inspiração repentina como "o pensamento mais afortunado da minha vida".
Como experimentos como o satélite Microscope confirmaram a universalidade da queda livre com tanta precisão, a maioria das teorias viáveis da gravidade (incluindo a relatividade geral) incorporam o insight de Einstein como parte de sua fundação. Isso significa que essas teorias também descrevem a gravidade como um fenômeno geométrico, decorrente da curvatura do espaço-tempo. O que os diferencia da relatividade geral é como o espaço-tempo é curvado pelas massas de grandes corpos.
Como discriminar entre a relatividade geral e as teorias alternativas da gravidade
Embora as teorias acima mencionadas prevejam que objetos pequenos caem com a mesma aceleração no mesmo campo gravitacional, a imagem não é tão simples se, em vez de objetos pequenos, considerarmos objetos astronômicos, que são mantidos juntos pela própria gravidade. Nesse caso, a relatividade geral prevê a possibilidade mais simples: que a universalidade da queda livre também se aplique a esses objetos autogravitantes, enquanto muitas das teorias alternativas da gravidade prevêem desvios de uma aceleração universal. Esses desvios geralmente aumentam em magnitude com a quantidade de curvatura espaço-tempo causada pelo objeto. Para objetos como a Terra, o Sol e até estrelas anãs brancas, a curvatura espaço-tempo é muito pequena. Comparado a estes, para estrelas de nêutrons a curvatura é um milhão a um trilhão de vezes maior.
Um pulsar em um sistema de estrela tripla
Em 2014, os astrônomos de rádio descobriram que o PSR J0337 + 1715 era membro de um sistema estelar triplo, juntamente com duas anãs brancas. Esse sistema acabou sendo um banco de ensaio ideal para testar a universalidade da queda livre de uma estrela de nêutrons. Graças ao rastreamento preciso por rádio do movimento do pulsar, foi realizado um teste para mostrar se ele cai na mesma taxa da anã branca próxima no campo gravitacional da anã branca externa. Este novo teste aprimora um estudo anterior do mesmo sistema em dois aspectos. Ele fornece um limite mais rigoroso para qualquer diferença na aceleração entre o pulsar e sua anã branca companheira interna, e utiliza uma melhor compreensão das propriedades da matéria estelar de nêutrons, resultante da observação de uma colisão catastrófica de duas estrelas de nêutrons. pelos observatórios de ondas gravitacionais LIGO / Virgo.
PSR J0337 + 1715 ilustra que a perspicácia engenhosa de Einstein também se aplica a objetos cósmicos extremos como estrelas de nêutrons que foram descobertos pela primeira vez apenas 50 anos após a publicação da teoria da relatividade geral. “Talvez mais do que qualquer teste anterior, este resultado indica que o pensamento mais afortunado de Einstein realmente capta algo fundamental sobre a gravidade e o funcionamento interno da natureza”, conclui Paulo Freire, outro co-autor do Instituto Max Planck de Radioastronomia.
Radiotelescópio de Nançay na França.
© Jean-Philippe Letourneur, CRDP Orléans
Informações básicas
O teste com o pulsar no sistema triplo é análogo a um teste clássico em andamento nos últimos 50 anos, o chamado Lunar Laser Ranging Test (LLR).
Como mencionado acima, várias teorias alternativas à relatividade geral prevêem que os objetos astronômicos caem com diferentes acelerações que dependem da quantidade de curvatura espaço-tempo que eles produzem. Assim, sob tais teorias, a Terra e a Lua devem cair com uma aceleração ligeiramente diferente no campo gravitacional do Sol, porque a Terra produz uma curvatura espaço-tempo significativamente maior que a Lua. Por essa razão, Kenneth Nordtvedt propôs, na década de 1960, o uso de retrorrefletores sendo implantados na superfície lunar por astronautas americanos e missões rover soviéticas para testar se a Terra e a Lua caem com a mesma aceleração no campo gravitacional do Sol. Ao disparar raios laser nesses refletores, tornou-se possível medir a distância entre os observatórios e os refletores na Lua com precisão de alguns centímetros. Os resultados concordam com as previsões da relatividade geral, com a Terra e a Lua caindo com a mesma aceleração no campo do Sol, com uma precisão de 1 parte em 1013 .
Apesar de sua grande precisão, esse teste tem uma desvantagem, que são as curvaturas muito pequenas do espaço-tempo causadas pela Terra e pela Lua. Estrelas de nêutrons são objetos inteiramente diferentes: em um diâmetro um pouco maior que 20 km, concentram mais massa que a do Sol, o que significa centenas de milhares de vezes a massa da Terra. Suas densidades centrais de cerca de um bilhão de toneladas por cm 3 os tornam a forma mais densa de matéria no universo atual. Isso tem uma conseqüência: eles produzem uma curvatura no espaço-tempo 10 a 14 vezes maior que a causada pela Terra, tornando-os objetos de gravidade realmente forte. Comparado a uma estrela de nêutrons, mesmo uma anã branca tem um campo gravitacional fraco.
O experimento com o pulsar no sistema de estrelas triplas é, em certos aspectos, análogo ao experimento Lunar Laser Ranging. O pulsar, em uma órbita de 1,6 dia com a anã branca interna (0,2 massa solar), é equivalente à Terra em órbita com a Lua, e a anã branca externa (0,4 massas solares), que está em uma órbita de 327 dias com a binário interno, é o equivalente ao Sol, fornecendo o campo gravitacional onde o sistema interno cai. Em vez do alcance do laser, é usado o rastreamento preciso dos sinais de rádio do pulsar. Estes não são tão precisos quanto o laser que vai até a Lua: em vez de alguns cm, é alcançada uma precisão de algumas centenas de metros. Essa é uma das razões pelas quais a medição pulsar da universalidade da queda livre (2 partes em 10 6) é muito menos preciso que o teste de alcance do Laser Lunar (1 parte em 10 13 ). No entanto, como mencionado anteriormente, a curvatura espaço-temporal causada pelo pulsar é tão grande que muitas teorias alternativas da gravidade que passam no teste de precisão do laser lunar altamente preciso serão reprovadas no teste de universalidade do queda livre para estrelas de nêutrons.
A equipe de pesquisa é composta por Guillaume Voisin, Ismael Cognard, Paulo Freire, Norbert Wex, Lucas Guillemot, Gregory Desvignes, Michael Kramer e Gilles Theureau. Três dos autores, Paulo Freire, Norbert Wex e Michael Kramer, são afiliados ao MPIfR.
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