Física: Teoria da Relatividade Geral foi confirmada para as grandes escalas cósmicas

A imagem acima mostra um mapa parcial da distribuição das galáxias na pesquisa cósmica SDSS (Sloan Digital Sky Survey), atingindo uma distância de até 7 bilhões de anos luz. A quantidade de aglomerados de galáxias que observamos hoje é uma assinatura de como a gravidade atuou ao longo do tempo cósmico e permite a testar se a relatividade geral atua sobre estas escalas. Crédito: M. Blanton, Sloan Digital Sky Survey

Uma equipe de astrofísicos dos EUA e da Suíça descobriu que a teoria da relatividade geral de Einstein funciona consistentemente nas escalas tão grandes como aquelas que separam as galáxias, em estudo publicado na  revista Nature. Para realizar o estudo, os pesquisadores se basearam em uma amostra de 70.000 galáxias, tendo definido um novo parâmetro de quantificação.

Um grupo de cientistas do Observatório da Universidade de Princeton (E.U.A.) e do Instituto de Física Teórica da Universidade de Zurique (Suíça) testou a teoria da relatividade geral de Einstein e concluiu que a teoria efetivamente funciona em grandes escalas, entre 2 e 50 megaparsecs ≈ 6,5 a 150 milhões de anos-luz (1 parsec = 3,2616 anos luz) em um desvio para o vermelho de z~0,32.

Uma imagem de um aglomerado de galáxias do Sloan Digital Sky Survey, mostrando algumas das 70.000 brilhantes galáxias elípticas que foram analisadas para testar a relatividade geral em escala cósmica. Crédito: Sloan Digital Sky Survey

Reinabelle Reyes, autor e líder do estudo publicado na revista Nature e pesquisador na Universidade de Princeton, afirmou:

Nós demos o primeiro passo de uma série de investigações para detectar possíveis desvios da relatividade geral e até agora confirmamos as previsões. Isto que aumenta nossa confiança na teoria e no atual quadro cosmológico.

Para confirmar se a teoria da relatividade geral pode ser aplicada em grandes escalas, a equipe analisou uma amostra de cerca de 70.000 galáxias do catálogo SDSS (Sloan Digital Sky Survey), e definiu uma quantidade chamada “E_G“, que combina medidas e os dados sobre lentes gravitacionais fracas, aglomerados de galáxias e a taxa de crescimento de estruturas em grandes escalas.

Previsão relativística

Os resultados mostram que em grandes escalas de dezenas de megaparsecs valor de E_G é de cerca de 0,39 e de acordo com a previsão geral relativista é estimado um valor de cerca de 0,4.

O teste permite potencialmente a discriminação definitiva entre a relatividade geral e outras teorias de gravidade, mas até hoje, a  luz da precisão das medições, apenas era permitida a exclusão de alguns dos modelos alternativos.

De acordo com a teoria da relatividade geral, a gravidade é decorrente da geometria do espaço e do tempo. Apesar da aceitação geral pelos cientistas da teoria da relatividade geral, até agora as condições não haviam sido suficientemente testadas em distâncias cosmológicas. Até então, os experimentos precisos haviam sido desenvolvidos apenas no Sistema Solar.

Paul Gilster em Centauri Dreams escreveu sobre este tema:

Confirmar a teoria da relatividade geral é uma notícia antiga quando se trata das distâncias no nível de escala do Sistema Solar (distâncias da ordem de grandeza de até 1 ano-luz), mas os testes dentro do nível de escala galáctico (milhões a bilhões de anos-luz) tinham resultados inconclusivos, até então. Outras teorias como a Tensor-Vector-Scalar (TeVeS), surgiram com a intenção de desconsiderar a presença da matéria escura através da aplicação de alterações na teoria da relatividade geral.

A teoria TeVeS foi desenvolvida por Jacob Bekenstein na tentativa de dar uma resposta as observações do comportamento das rotações galácticas, bem como as obtidas pelas técnica do uso de lente gravitacional, mas manteve-se controversa. Agora, este novo trabalho parece afastá-la. De acordo com esta nota de imprensa da Universidade da Califórnia em Berkeley, a teoria TeVeS postula que a aceleração causada pela força gravitacional de um corpo não depende somente da massa desse corpo, mas também incide sobre o valor da aceleração gravitacional.

Uros Seljak (UC Berkeley), co-autor do estudo, fala do valor do teste da relatividade geral quando aplicado em distâncias cosmológicas (megaparsecs):

O bom de irmos para a escala cosmológica é que podemos testar qualquer teoria completa alternativa da gravidade, uma vez que elas deveriam prever o que observamos. Agora, as teorias alternativas que não contemplam a presença da matéria escura falharam nestes testes.

Quanto aos testes propriamente ditos, eles giram em torno de uma quantidade conhecida como E_G, a qual é baseada na quantidade de aglomeração nas galáxias observadas e a distorção da luz produzida por sua passagem pela matéria intermediária. Pengjie Zhang (Xangai Observatory) explica sobre E_G:

De forma simplificada, E_G é proporcional à densidade média da matéria do Universo e inversamente proporcional à taxa de crescimento da estrutura do universo. Essa combinação especial se livra das flutuações de amplitude e, portanto, foca diretamente na combinação particular que é sensível as alterações da teoria da relatividade geral.

Seljak observa que os experimentos cosmológicos geralmente envolvem medição das flutuações do espaço, enquanto as teorias alternativas da gravidade se baseiam nas relações entre densidade e velocidade, ou seja, entre a densidade e o potencial gravitacional:

O problema é que o tamanho da flutuação, por si só, não está nos contando nada sobre subjacentes teorias cosmológicas. É essencialmente um incômodo que nós gostaríamos de nos livrar. A novidade desta técnica é que ela olha para uma determinada combinação de observações que não dependem da magnitude das flutuações que representaria a assinatura prevista nos desvios teóricos da relatividade geral.

Este novo estudo também questionou teorias como a f(R), um mecanismo alternativo proposto para explicar a expansão acelerada do Universo que descarta a energia escura.

Os pesquisadores trabalharam com os dados da SDSS para calcular E_G e compará-lo com as previsões da teoria TeVeS, com as estimativas da teoria f(R) e com o modelo da matéria escura fria da relatividade geral, reforçada com o uso da constante cosmológica para explicar o Universo em expansão acelerada.

O resultado final? As previsões da teoria da relatividade geral se encaixam dentro da margem de erro experimental, o E_G previsto por f (R) também se manteve dentro da margem de erro, mas as previsões da teoria TeVeS falharam.

Assim, podemos concluir que fizemos alguns progressos, mas vale a pena destacar que Seljak já está pensando na expansão destas análises, de 70.000 para 1 milhão de galáxias, com o advento da Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (Sloan Digital Sky Survey III), que será concluída dentro de aproximadamente cinco anos.

Nós também poderemos no futuro contar com os dados da missão Euclides da ESA, junto com o Joint Dark Energy Mission da NASA, mas para tanto, teremos que esperar pelo menos mais uma década.

Desta forma, novos resultados vão levar algum um tempo para serem atingidos. Devemos considerar que, em paralelo, prossegue o desenvolvimento das experiências detecção direta, que poderão um dia nos dizer mais sobre a identidade exata da matéria escura e da energia escura.

Fontes

Centauri Dreams: General Relativity Holds Up Under Galactic Test

Nature: “Confirmation of general relativity on large scales from weak lensing and galaxy velocities”. Autores: Reinabelle Reyes, Rachel Mandelbaum, Uros Seljak, Tobias Baldauf, James E. Gunn, Lucas Lombriser y Robert E. Smith

SINC: Confirman la relatividad general en escalas grandes

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