Impressão artística do sistema de Pulsar Duplo, onde dois pulsares ativos orbitam-se um ao outro em apenas 147 minutos. O movimento orbital destas estrelas de neutrões extremamente densas causa uma série de efeitos relativistas, incluindo ondulações no espaço-tempo conhecidas como ondas gravitacionais. As ondas gravitacionais transportam energia dos sistemas, que diminuem cerca de 7 mm por dia como resultado. A medição correspondente está 99,987% de acordo com a previsão da relatividade geral.
Crédito: Michael Kramer/Instituto Max Planck para Radioastronomia
Uma equipa internacional de investigadores de dez países, liderada por Michael Kramer do Instituto Max Planck para Radioastronomia em Bona, na Alemanha, realizou uma experiência ao longo de 16 anos para desafiar a teoria da relatividade geral de Einstein com alguns dos testes mais rigorosos já feitos. O seu estudo de um par único de estrelas extremas, chamadas pulsares, envolveu sete radiotelescópios espalhados por todo o mundo e revelou novos efeitos relativistas que eram esperados e que foram agora observados pela primeira vez. A teoria de Einstein, que foi concebida quando nem estes tipos de estrelas extremas nem as técnicas usadas para as estudar podiam sequer ser imaginadas, concorda com a observação até um nível de pelo menos 99,99%. Os resultados foram publicados na revista Physical Review X.
Mais de 100 anos após Albert Einstein ter apresentado a sua teoria da gravidade, os cientistas de todo o mundo continuam os esforços para encontrar falhas na relatividade geral. A observação de qualquer desvio da Relatividade Geral constituiria uma grande descoberta que abriria uma janela para nova física para lá da nossa compreensão atual do Universo.
O líder da equipa de investigação, o professor Michael Kramer do Instituto Max Planck para Radioastronomia em Bona, na Alemanha, diz: "Nós estudámos um sistema de estrelas compactas que é um laboratório incomparável para testar teorias da gravidade na presença de campos gravitacionais muito fortes. Para nossa alegria, fomos capazes de testar uma pedra angular da teoria de Einstein, a energia transportada pelas ondas gravitacionais, com uma precisão que é 25 vezes melhor do que a do pulsar Hulse-Taylor (descoberto por Russell Alan Hulse e Joseph Hooton Taylor Jr. em 1974, que levou a que fossem laureados com o Prémio Nobel da Física em 1993) e 1000 vezes melhor do que o atualmente possível com os detetores de ondas gravitacionais." Ele explica que as observações não estão apenas de acordo com a teoria, "mas também pudemos ver efeitos que não podiam ser estudados antes."
A professora Ingrid Stairs da Universidade de Columbia Britânica em Vancouver dá um exemplo: "Seguimos a propagação de fotões de rádio emitidos por um farol cósmico, um pulsar, e rastreámos o seu movimento no forte campo gravitacional de um pulsar companheiro. Vemos pela primeira vez como a luz não é apenas atrasada devido a uma forte curvatura do espaço-tempo em torno da companheira, mas também que a luz é desviada por um pequeno ângulo de 0,04 graus que conseguimos detetar. Nunca antes uma experiência deste género tinha sido realizada numa curvatura do espaço-tempo tão alta."
Este laboratório cósmico conhecido como "Pulsar Duplo" (PSR J0737-3039) foi descoberto por membros da equipa em 2003. É composto por dois pulsares de rádio que se orbitam um ao outro em apenas 147 minutos com velocidades de cerca de 1 milhão de quilómetros por hora. Um pulsar gira muito depressa, cerca de 44 vezes por segundo. O companheiro é jovem e tem um período de rotação de 2,8 segundos. É o movimento em torno um do outro que pode ser usado como um laboratório de gravidade quase perfeito.
O professor Dick Manchester da CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation), na Austrália, ilustra: "Este movimento orbital veloz de objetos compactos como estes - são cerca de 30% mais massivos do que o Sol, mas têm apenas 24 km de diâmetro - permitem-nos testar muitas previsões diferentes da relatividade geral - sete no total! Além das ondas gravitacionais, a nossa precisão permite-nos sondar os efeitos da propagação da luz, como o chamado "Atraso de Shapiro" e a curvatura da luz. Também medimos o efeito da "dilatação do tempo" que faz com que os relógios funcionem mais lentamente em campos gravitacionais. Precisamos até de ter em atenção a famosa equação de Einstein, E = mc2, ao considerar o efeito da radiação eletromagnética emitida pelo pulsar de rotação rápida no movimento orbital. Esta radiação corresponde a uma perda de massa de 8 milhões de toneladas por segundo! Embora isto pareça muito, é apenas uma fração minúscula - 3 partes por cada mil quadriliões (!) - da massa do pulsar por segundo."
Os investigadores também mediram - com uma precisão de 1 parte por milhão (!) - que a órbita muda de orientação, um efeito relativista também bem conhecido da órbita de Mercúrio, mas aqui 140.000 vezes mais forte. Perceberam que, a este nível de precisão, também tinham que ter em consideração o impacto da rotação do pulsar no espaço-tempo circundante, que é "arrastado" com o pulsar giratório. O Dr. Norbert Wex do Instituto Max Planck para Radioastronomia, outro autor principal do estudo, explica: "Os físicos chamam a isto o efeito Lense-Thirring ou arrasto de referenciais. Na nossa experiência, isso significa que precisamos de considerar a estrutura interna de um pulsar como uma estrela de neutrões. Portanto, as nossas medições permitem-nos, pela primeira vez, usar o rastreamento preciso das rotações da estrela de neutrões, uma técnica que chamamos de 'temporização do pulsar' para fornecer restrições à extensão de uma estrela de neutrões."
A técnica de temporização do pulsar foi combinada com cuidadosas medições interferométricas do sistema para determinar a sua distância com imagens de alta resolução, resultando num valor de 2400 anos-luz com apenas 8% de margem de erro. O membro da equipa, o professor Adam Deller da Universidade Swinburne na Austrália e responsável por esta parte da experiência, realça: "É a combinação de diferentes técnicas complementares de observação que acrescenta valor extremo à experiência. No passado, estudos semelhantes eram frequentemente dificultados pelo conhecimento limitado da distância a tais sistemas." Não é o caso aqui, onde além da temporização do pulsar e da interferometria, também os efeitos devido ao meio interestelar foram cuidadosamente levados em consideração. O professor Bill Coles, da Universidade da Califórnia em San Diego, concorda: "Nós reunimos todas as informações possíveis sobre o sistema e derivámos uma imagem perfeitamente consistente, envolvendo física de muitas áreas diferentes, como física nuclear, gravidade, meio interestelar, física de plasma e muito mais. Isto é bastante extraordinário."
"Os nossos resultados são bem complementares com outros estudos experimentais que testam a gravidade noutras condições ou observam diferentes efeitos, como os detetores de ondas gravitacionais ou o EHT (Event Horizon Telescope). Também complementam outras experiências de pulsares, como a nossa experiência de temporização num sistema estelar triplo, que forneceu um teste independente (e soberbo) da universalidade da queda livre," diz Paulo Freire, também do Instituto Max Planck para Radioastronomia.
Michael Kramer conclui: "Alcançámos um nível de precisão sem precedentes. Experiências futuras com telescópios ainda maiores podem ir, e irão, mais longe. O nosso trabalho mostrou a maneira como estas experiências precisam de ser realizadas e quais os efeitos subtis que agora necessitam de ser levados em consideração. E, talvez, um dia encontraremos um desvio na relatividade geral..."
Os sete radiotelescópios usados para observações do pulsar duplo PSR J0737-3039. No sentido horário a partir do canto superior esquerdo: Radiotelescópio Effelsberg (Alemanha), Radiotelescópio de Nançay (NRT, França), WSRT (Westerbork Synthesis Radio Telescope, Holanda), Radiotelescópio Parkes (Austrália), Observatório Jodrell Bank (Reino Unido), VLBA (Very Long Baseline Array, EUA), GBT (Green Bank Telescope, EUA).
Crédito: Norbert Junkes/MPIfR (Effelsberg), Letourneur e Observatório Nançay, ASTRON (WSRT), ATNF/CSIRO (Parkes), Anthony Holloway (Jodrell Bank), NRAO/AUI/NSF (VLBA), NSF/AUI/Observatório Green Bank Observatory
