VLBA: medições precisas do desvio das ondas de rádio dos quasares ao passar perto do Sol confirmam a teoria da gravidade de Einstein

Um objeto massivo encurva o espaço-tempo em sua volta. Assim, a luz e a radiação são desviadas... Mas, como medir este fenômeno com precisão?

Sabemos que a luz se curva ao passar próxima de um objeto massivo, mas, como medir isso com precisão?

A Teoria da Relatividade Geral descreve a força da gravidade em termos da geometria do espaço-tempo. Longe de uma fonte de gravidade, como uma estrela tal como o nosso Sol, o espaço é “plano” e os relógios funcionam em sua freqüência normal. Próximos a uma fonte massiva de gravidade, entretanto, os relógios funcionam mais lentamente e o espaço se curva. Medir a curvatura do espaço, no entanto, é uma experiência bastante difícil de se realizar.

Recentemente, os cientistas do NRAO (National Radio Astronomy Observatory) usaram uma gigantesca rede continental de rádio telescópios para realizar uma medição extremamente precisa da curvatura do espaço causada pela gravidade do Sol. Esta pesquisa e a técnica desenvolvida poderão ser consideradas como uma contribuição fundamental para a evolução da física avançada.

“Medir a curvatura do espaço causada pela gravidade é um dos mais sensíveis caminhos para se entender como a Teoria da Relatividade Geral de Einstein se relaciona com a física quântica. A unificação da teoria da gravidade com a teoria quântica é um dos principais objetivos para a física do século XXI e estas medidas astronômicas são uma das chaves para entender o relacionamento entre ambas”, disse Sergei Kopeikin da Universidade de Missouri.

O Very Long Baseline Array (VLBA) é um sistema composto de 10 radiotelescópios, cada um com um prato de 25 metros de diâmetro e peso de 240 toneladas. Deste Mauna Kea na grande ilha do Havaí até Santa Cruz nas Ilhas Virgens o VLBA se espalha em dimensões continentais por mais de 8.000 quilômetros. O sistema VLBA fornece aos astrônomos uma visão mais precisa que qualquer sistema de telescópios terrestres ou orbitais. Operante desde 1993 o VLBA tem uma capacidade de 'ver' detalhes tão apurados do Universo comparáveis a uma pessoa em Nova Yorque conseguir 'ler' um jornal em Los Angeles. NRAO/AUI, SeaWiFS Project, NASA/GSFC e ORBIMAGE

A rede continental de telescópios VLBA foi usada…

Kopeikin e seus coleagas usaram o sistema composto de 10 rdiotelescópios chamado Very Long Baseline Array (VLBA) da National Science Foundation para medir a curvatura da luz causada pela gravidade do Sol com a precisão de 1/3.333 (conforme a NRAO — veja também neste link, fornecido por Ned Wright da UCLA, mais detalhes sobre a teoria da deflexão e do atraso na luz). Com as observações coletadas os cientistas afirmam que a técnica utilizada conseguiu produzir os resultados mais precisos até agorada medição deste fenômeno.

A curvatura da luz pela gravidade foi prevista por Albert Einstein quando ele publicou a teoria da Relatividade Geral em 1916. De acordo com a teoria, a força gravitacional de um objeto massivo como o Sol pode produzir uma curvatura observável no espaço vizinho, o que modifica o caminho dos raios luminosos ou da radiação (como as ondas de rádio) que passam perto do objeto massivo. Este fenômeno foi observado pela primeira vez no famoso eclipse solar de 1919.

Em azul a luz segue em linha reta (sem o Sol); Em vermelho a previsão pela teoria clássica de Newton e em verde a previsão da TGR de Einstein de 1916, confirmada no eclipse solar de 1919. Crédito: Ned Wright

Apesar das numerosas medidas do efeito tem sido refeitas nos últimos 90 anos, o problema na unificação entre a Relatividade Geral e a Teoria Quântica tem demandado observações ainda mais precisas. Os físicos descrevem a curvatura do espaço e a curvatura da luz com o parâmetro denominado ‘gama’ (Γ). Além disso, a teoria da Relatividade Geral de Einstein determina que Γ = 1,0.

“Mesmo um fator que seja diferente em uma parte em um milhão de Γ = 1,0 deveria gerar importantes ramificações no objetivo primordial da física do século XXI, a unificação da teoria da gravidade e a teoria quântica e conseguir influenciar na previsão dos fenômenos que ocorrem em regiões de gravidade extrema, como as áreas próximas dos buracos negros”, afirmou Kopeikin.

Assim, para conseguir medidas extremamente precisas, os cientistas requisitaram o VLBA (Very Large Base Array), um sistema de radio telescópios de dimensões continentais que se espalham por 8.000 quilômetros desde o Havaí no meio do oceano Pacífico até as Ilhas Virgens no oceano Atlântico. O VLBA oferece o poder necessário para se realizar as medições mais acuradas.

Os quasares distantes e o Sol. Crédito: NRAO

A luzes dos quasares foram estudadas quando o Sol passou em frente destas fontes luminosas distantes. Crédito: NRAO

A visão dos quasares distantes perturbada pelo Sol…

Os pesquisadores fizeram suas observações medindo o comportamento de 4 distantes quasares (galáxias ativas longinquas com buracos negros supermassivos em seus núcleos) no momento em que o Sol passou em frente deles em outubro de 2005. A gravidade solar causou pequenas mudanças nas posições aparentes dos quasares pois foram defletidas as ondas de rádio emanadas pelos núcleos ativos dos quasares distantes.

Desta forma, os cientistas conseguiram calcular o valor de ‘gama’ em Γ = 0,9998 ± 0,0003, o que está inteiramente de acordo com a previsão de Einstein que determina Γ = 1,0.

“Com mais observações como as nossas, em adição as medições complementares como as feitas pela espaçonave robótica Cassini da NASA, nós conseguimos melhorar a precisão das medidas por pelo menos um fator de quatro, para fornecer as melhores apurações do valor de ‘gama’ (Γ)”, disse Edward Fomalont da National Radio Astronomy Observatory (NRAO). “Uma vez que ‘gama’ (Γ) é um fator fundamental das teorias gravitacionais, sua medida através de métodos observationais distintos [independentes] é crucial para obter um valor que é suportado pela comunidade de físicos”, explicou Fomalont.

Kopeikin e Fomalont trabalharam com John Benson da NRAO e Gabor Lanyi da NASA (Jet Propulsion Laboratory). O time reportou suas descobertas no exemplar de 10 de julho de 2009 do Astrophysical Journal.

A NRAO (National Radio Astronomy Observatory) reporta-se a NSF (National Science Foundation), que opera em mútua cooperação com Associated Universities, Inc.