O observatório de raios-gama FERMI celebra um ano de atividades e confirma a teoria da Relatividade Geral de Einstein

A corrida do fótons: nesta ilustração vemos um fóton de alta energia (roxo) que carrega um milhão de vezes mais energia que o outro fóton (amarelo). Há teorias que sugerem que os fótons de alta-energia sofreriam atrasos em seu longo caminho até a Terra uma vez que estes teriam que interagir mais fortemente com a estrutura do espaço-tempo. Mesmo assim os dados capturados pelo FERMI em dois fótons da explosão de raios-gama GRB 090510 que durou 2,1 segundos negaram esta teoria e os fótons chegaram a nós praticamente juntos (apenas 0,9 segundos de diferença) depois de terem viajado por 7,3 bilhões de anos. Crédito: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet

O FERMI celebra um ano de recordes!

Durante seu primeiro ano de operações, o Telescópio Espacial de Raios-Gama da NASA FERMI vasculhou o lado extremo do céu com resolução e sensibilidade sem precedentes. O FERMI capturou mais de 1.000 fontes discretas de raios-gama (a forma mais energética da radiação). A mais notável das conquistas do FERMI foi a realização da medição que forneceu evidências experimentais raras acerca da estrutura intrínseca do espaço e do tempo, ou melhor, o espaço-tempo unificado conforme estabelecem as teorias de Einstein.

As teorias alternativas da gravidade dizem o que?

“Os físicos sonham em substituir a visão da gravidade proposta por Einstein (tal como expressada na teoria da Relatividade Geral) com algo que se associam as forças fundamentais”, disse Peter Michelson, pesquisador líder do time que opera o instrumento LAT (Large Area Telescope – ‘Telescópio de Larga Área’ do FERMI), membro da Universidade de Stanford em Palo Alto, Califórnia, EUA. Segundo Peter: “Existem muitas idéias [exóticas], mas poucas maneiras de testá-las”.

Muitas abordagens das novas teorias da gravidade retratam o espaço-tempo como uma estrutura inconstante e superficial em escalas físicas bilhões de vezes menores que um elétron. Alguns modelos prevêem que o aspecto espumoso do espaço-tempo faria com que os raios-gama mais energéticos se desloquem ligeiramente mais devagar que os fótons menos energéticos. O vídeo abaixo ilustra a tese da diferença das velocidades dos fótons através da fábrica do espaço-tempo:

Tal modelo proposto violaria frontalmente a lei proposta por Einstein que determina que toda radiação eletromagnética (ondas de rádio, radiações infravermelha e ultravioleta, luz visível, raios-X e raios-gama) sempre viaja através do vácuo na mesma velocidade.

Esta polêmica foi acentuada quando em 2005, dados obtidos a partir do telescópio de raios gama MAGIC em La Palma nas Ilhas Canárias sugeriram que a velocidade da luz não é uma constante. O MAGIC mediu a luz liberada por uma galáxia a 500 milhões da anos luz e detectou que os fótons de alta energia chegaram 4 minutos depois que seus companheiros de baixa energia. Veja o vídeo abaixo da New Scientist:

O GRB 090510 confirma a Teoria da Relatividade Geral de Einstein

Contrariando as observações do MAGIC, em 10 de maio de 2009, o FERMI e outros observatórios espaciais detectaram uma pequena explosão de raios-gama, a GRB 090510. Os astrônomos julgam que este tipo de explosão acontece quando estrelas de nêutrons colidem. Os estudos a partir da Terra mostram que o evento ocorreu em uma galáxia distante, há 7,3 bilhões de anos. Dos diversos fótons de raios-gama que o instrumento LAT do FERMI detectou a partir da explosão, que teve a duração de somente 2,1 segundos, dois fótons possuíam energias diferindo por um milhão de vezes. E mesmo viajando durante mais de sete bilhões de anos, o par de fótons da mesma explosão chegou com apenas 0,9 segundos de diferença.

“Esta medição elimina qualquer abordagem proposta por novas teorias da gravidade que sugerem uma dependência entre a velocidade da luz e a energia intrínseca da radiação”, afirma Michelson e completa: “Para uma parte em 100 trilhões, estes dois fótons viajaram à mesma velocidade. [A teoria da Relatividade Geral de] Einstein ainda governa a física”. Veja no vídeo abaixo a explicação da NASA sobre o fenômeno:

Paul Gilster em Centauri Dreams comentou sobre esta descoberta:

Então, a Relatividade Especial falha no nível quântico? O FERMI deu-nos a chance de usar dados astronômicos para testar tais idéias. A diferença de 0,9 segundos entre os tempos de chegada de dois fótons de raios-gama com alta e baixa energia nos sugere que os efeitos quânticos que envolvem a luz tornando-a mais lenta com o aumento de sua energia intrínseca não se mostram evidentes até chegarmos a oito décimos do comprimento de Planck (10^-33 cm).

Trata-se de informação útil, sem dúvida, mas ainda necessitamos de um modo de colocar a teoria Einsteiniana da gravidade dentro de uma teoria mais abrangente que trate as quatro forças fundamentais, acima da Modelo Padrão, que unifica as três forças (Forte, Fraca e Eletromagnética). Assim, o que o GRB 090510 nos dá é uma primeira evidência sobre a estrutura do espaço-tempo, que o FERMI, no futuro, irá refinar. Einstein foi confirmado? Neste ponto, SIM, mas o aprofundamento no estudo quântico através da análise das explosões de raios-gama poderá nos ajudar a ver, de uma maneira que os experimentos de laboratório não conseguem mostrar, como a gravidade em nível quântico se encaixa na fábrica do espaço-tempo do Universo.

Os GRBs recordistas do FERMI

O equipamento secundário do FERMI, o instrumento GRBM (Gamma-ray Burst Monitor), já observou raios-gama de baixa energia em mais de 250 explosões. O LAT analisou 12 destes fenômenos em alta energia mais detalhadamente, revelando três explosões de raios-gama recordistas:

1. O jato de matéria mais veloz: a explosão de raios-gama GRB 090510, de maio de 2009, exibiu o movimento mais rápido de ejeção de matéria até hoje já observado, com a matéria expelida movendo-se a fantástica velocidade de 99,99995% da velocidade da luz;
2. A energia mais alta: o GRB 090902B de setembro de 2009 apresentou a mais alta energia sob a forma de raios-gama já observada: 33,4 bilhões de elétrons-volt (33,4 Gev) ou cerca de 13 bilhões de vezes a energia da luz visível;
3. A maior energia total: o GRB 080916C, detectado em 2008, produziu a maior energia total de uma explosão cósmica, o equivalente a 9.000 supernovas típicas.

Varrendo a abóbada celeste integralmente a cada três horas, o LAT fornece aos cientistas do FERMI um olhar cada vez mais detalhado do Universo extremo. “Nós já descobrimos mais de 1.000 fontes persistentes de raios-gama, 5 vezes o número anteriormente detectado [antes do FERMI]”, disse a cientista do projeto, Julie McEnery, do Centro Aeroespacial Goddard da NASA em Greenbelt, Maryland, EUA. “E nós associamos quase metade deles [destas fontes] com objetos conhecidos em outros comprimentos de onda”.

Esta visão do céu de raios-gama foi construída a partir de um ano de observações do FERMI LAT. Este mapa representa a melhor visão do lado extremo do Universo até agora. Esta é uma visão de toda a abóbada celeste para os raios-gama ultra energéticos, 120 milhões de vezes mais potentes que a luz visível. As cores mais brilhantes representam maiores incidências. Crédito: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

Os blazares dominam as fontes de raios-gama

Os blazares (galáxias ativas distantes cujos buracos negros supermassivos emitem jatos de matéria em velocidades relativísticas em nossa direção) são a fonte de raios-gama em maior número, com mais de 500 objetos catalogados. Em nossa própria Galáxia, as fontes de raios-gama consistem de 46 pulsares e dois sistemas binários, onde encontramos, em cada um deles, uma estrela de nêutrons orbitando velozmente outra estrela jovem e quente.

“A equipe do FERMI fez um grande trabalho comissionando a sonda espacial e iniciando suas observações científicas”, afirmou Jon Morse, diretor da Divisão de Astrofísica do escritório central NASA em Washington. “E agora o FERMI está mais do que preenchendo seu singular papel científico de fazer descobertas inovadoras e de alto-impacto sobre o lado extremo do Universo e sua fábrica do espaço-tempo.

O observatório especial de raios-gama FERMI é uma parceria entre a astrofísica e a física de partículas, desenvolvido em colaboração com o Departamento de Energia dos EUA, junto como contribuições importantes de instituições acadêmicas e parceiros na França, Alemanha, Itália, Japão, Suécia e EUA.

Sugerimos fortemente que você veja as animações e as imagens deste tema, acessando a página do FERMI que celebra o aniversário das suas operações e descobertas.

Fontes e referências

Centauri Dreams: GRB Burst Tests Special Relativity

NASA – FERMI:

• Fermi Telescope Caps First Year With Glimpse of Space-Time
• Multimedia related to the Oct. 28, 2009, NASA briefing on Fermi’s findings
• NASA’s Fermi Finds Gamma-ray Galaxy Surprises
• NASA’s Fermi Mission, Namibia’s HESS Telescopes Explore a Blazar
• Active Galaxies Flare and Fade in Fermi Telescope All-Sky Movie
• Continent-sized Radio Telescope Takes Close-ups of Fermi Active Galaxies
• NASA’s Fermi Telescope Probes Dozens of Pulsars

New Scientist:

• Universe’s quantum ‘speed bumps’ no obstacle for light
• Late light reveals what space is made of

Universe Today: Einstein Still Rules, Says Fermi Telescope Team

Science Daily: Gamma-ray Photon Race Ends In Dead Heat; Einstein Wins This Round

Nature: An intergalactic race in space and time [A burst of γ-rays lets scientists test quantum theories of gravity]

SPACE.com: Space-Time Observations Find Einstein Still Rules

Discover: Has Fermi Seen New Evidence for Dark Matter?

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