Teoria da Relatividade de Einstein observada em estrelas distantes

NASA/CXC/M. Weiss

Impressão de artista do sistema conhecido como 4U 1916-053. A estrela de neutrões (a cinzento) está no centro do disco de gás quente, gás este puxado a partir da sua companheira (estrela à esquerda).

O que é que Albert Einstein, o GPS e um par de estrelas a 29.000 anos-luz da Terra têm em comum?

A resposta é um efeito da Teoria Geral da Relatividade de Einstein chamado “desvio gravitacional para o vermelho”, em que a luz é desviada para cores mais vermelhas por causa da gravidade. Usando o Observatório de raios-X Chandra da NASA, os astrónomos descobriram o fenómeno em duas estrelas que se orbitam uma à outra na nossa Galáxia, localizadas a cerca de 29.000 anos-luz de distância da Terra.

Embora estas estrelas estejam muito distantes, os desvios gravitacionais para o vermelho têm impactos tangíveis na vida moderna, pois os cientistas e engenheiros têm que levá-los em conta para permitir as posições precisas do GPS.

Embora os cientistas tenham encontrado evidências incontestáveis de desvios gravitacionais para o vermelho no nosso Sistema Solar, tem sido um desafio observá-los em objetos mais distantes no espaço.

Os novos resultados do Chandra fornecem evidências convincentes de efeitos de desvio gravitacional para o vermelho “em jogo” num novo cenário cósmico.

O sistema intrigante conhecido como 4U 1916-053 contém duas estrelas numa órbita notavelmente próxima. Uma é o núcleo de uma estrela que teve as suas camadas externas arrancadas, deixando uma estrela que é muito mais densa do que o Sol.

A outra é uma estrela de neutrões, um objeto ainda mais denso formado quando uma estrela massiva colapsa numa explosão de supernova.

Estas duas estrelas compactas estão apenas separadas por 346.000 km, mais ou menos a distância entre a Terra e a Lua. Enquanto a Lua orbita o nosso planeta uma vez por mês, a densa estrela companheira em 4U 1916-053 gira em torno da estrela de neutrões e completa uma órbita em apenas 50 minutos.

No novo trabalho sobre 4U 1916-053, a equipa analisou espectros de raios-X – ou seja, a quantidade de raios-X em diferentes comprimentos de onda – do Chandra. Eles encontraram a assinatura característica da absorção do ferro e do silício nos espectros.

Em três observações separadas com o Chandra, os dados mostram uma queda brusca na quantidade detetada de raios-X perto dos comprimentos de onda onde os átomos de ferro ou silício devem absorver os raios-X. Um dos espectros que mostra a absorção do ferro está incluído na imagem em destaque. O gráfico adicional mostra um espectro com absorção do silício. Em ambos os espectros, os dados são mostrados a cinzento e um modelo de computador a vermelho.

No entanto, os comprimentos de onda destas assinaturas características de ferro e silício foram desviados para comprimentos de onda mais longos ou mais vermelhos em comparação com os valores de laboratório encontrados aqui na Terra (mostrados com a linha vertical azul para cada assinatura de absorção).

Os investigadores descobriram que o desvio das características de absorção era o mesmo em cada uma das três observações do Chandra, e que era grande demais para ser explicada pelo movimento para longe de nós (o típico desvio para o vermelho). Ao invés, concluíram que era provocado pelo desvio gravitacional para o vermelho.

Qual é a ligação com a Relatividade Geral e com o GPS? Conforme previsto pela teoria de Einstein, os relógios sob a força da gravidade funcionam a um ritmo mais lento do que os relógios vistos numa região distante com gravidade mais fraca.

Isto significa que os relógios na Terra, observados a partir de satélites em órbita, funcionam a um ritmo mais lento. Para ter a alta precisão necessária para o GPS, este efeito precisa de ser levado em conta ou haveriam pequenas diferenças de tempo que se somam rapidamente, calculando posições imprecisas.

Todos os tipos de luz, incluindo raios-X, também são afetados pela gravidade. Uma analogia é a de uma pessoa a subir uma escada rolante que se encontra a descer. Ao fazer isto, a pessoa perde mais energia do que se a escada rolante estivesse parada ou a subir. A força da gravidade tem um efeito parecido sobre a luz, onde uma perda de energia resulta numa frequência mais baixa. Dado que a luz no vácuo viaja sempre à mesma velocidade, a perda de energia e a frequência significam que a luz, incluindo as assinaturas de ferro e silício, é desviada para comprimentos de onda mais longos.

Esta é a primeira evidência forte de assinaturas de absorção sendo desviadas para comprimentos de onda mais longos pela gravidade num par de estrelas que tem ou uma estrela de neutrões ou um buraco negro.

Já foram observadas fortes evidências de desvios gravitacionais para o vermelho na absorção à superfície de anãs brancas, com desvios de comprimento de onda tipicamente apenas mais ou menos 15% daquele visto em 4U 1916-053.

Os cientistas dizem que é provável que uma atmosfera gasosa, cobrindo o disco perto da estrela de neutrões (vista a azul), tenha absorvido os raios-X, produzindo estes resultados (esta atmosfera não está relacionada com a protuberância de gás vermelho na parte externa do disco que bloqueia a luz da parte interna do disco uma vez por órbita).

O tamanho do desvio no espectro permitiu à equipa calcular a que distância esta atmosfera está da estrela de neutrões, usando a Relatividade Geral e assumindo uma perda de massa padrão para a estrela de neutrões.

Descobriram que a atmosfera está localizada a 2400 km da estrela de neutrões, equivalente a apenas 0,7% da distância entre a estrela de e a companheira. Provavelmente estende-se por várias centenas de quilómetros a partir da estrela de neutrões.

Em dois dos três espectros também existem evidências de assinaturas de absorção que foram desviadas para comprimentos de onda ainda mais vermelhos, correspondendo a uma distância de apenas 0,04% da distância da estrela de neutrões à companheira. No entanto, estas assinaturas foram detetadas com menos confiança do que aquelas mais distantes da estrela de neutrões. Os cientistas receberam mais tempo de observação com o Chandra, no próximo ano, para estudar este sistema em mais detalhe.

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na edição de 10 de agosto de 2020 da revista The Astrophysical Journal Letters e está disponível online.

// CCVAlg

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