Confirmando a relatividade geral de Einstein perto de buraco negro

ESO
26/07/2018

Trajeto da estrela S2 passando muito perto do buraco negro supermassivo situado no centro da Via Láctea. À medida que se aproxima, o campo gravitacional muito forte do buraco negro faz com que a cor da estrela se desloque ligeiramente para o vermelho, um efeito previsto pela teoria da relatividade geral de Einstein. [1]
Obscurecido pelas espessas nuvens de poeira, o buraco negro supermassivo mais perto da Terra situa-se a cerca de 26 000 anos-luz de distância, no centro da Via Láctea. Este monstro gravitacional, com uma massa de 4 milhões de vezes a massa solar, encontra-se rodeado por um pequeno grupo de estrelas que o orbitam a alta velocidade. Este meio extremo — o campo gravitacional mais forte da nossa Galáxia — é o local ideal para explorar a física gravitacional e, particularmente, testar a teoria da relatividade geral de Einstein.

Novas observações infravermelhas obtidas com os instrumentos extremamente sensíveis GRAVITY [2], SINFONI e NACO, montados no Very Large Telescope do ESO (VLT), permitiram aos astrônomos acompanhar uma destas estrelas, chamada S2, à medida que passava muito perto do buraco negro durante Maio de 2018. No ponto da sua órbita mais próximo do buraco negro, a distância desta estrela ao objeto era menor que 20 bilhões de quilômetros e a sua velocidade era maior que 25 milhões de quilômetros por hora — quase 3% da velocidade da luz [3].

A equipe comparou medições de posição e velocidade obtidas pelo GRAVITY e pelo SINFONI, respectivamente, juntamente com observações anteriores de S2 obtidas com outros instrumentos, com previsões de gravidade newtoniana, relatividade geral e outras teorias de gravidade. Os novos resultados são inconsistentes com as previsões newtonianas mas estão em excelente acordo com a relatividade geral.

Estas medições extremamente precisas foram obtidas por uma equipe internacional liderada por Reinhard Genzel do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE) em Garching, Alemanha, em colaboração com pesquisadores do Observatório de Paris—PSLUniversidade de Grenoble-AlpesCNRSInstituto Max Planck de AstronomiaUniversidade de ColôniaCentro de Astrofísica e Gravitação (CENTRA) e ESO. Estas observações são o culminar de 26 anos das observações mais precisas até hoje do centro da Via Láctea obtidas com instrumentos do ESO [4].

Esta é a segunda vez que observamos a passagem de S2 próximo do buraco negro situado no nosso centro galático. No entanto, desta vez, devido à instrumentação disponível muito melhorada, fomos capazes de observar a estrela com uma resolução sem precedentes,” explica Genzel. “Estas observações foram preparadas arduamente durante vários anos, uma vez que queríamos tirar o máximo partido desta oportunidade única de observar os efeitos da relatividade geral.

As novas medições revelam claramente um efeito chamado desvio para o vermelho gravitacional. A luz emitida pela estrela é “esticada” na direção dos maiores comprimentos de onda por efeito do campo gravitacional muito forte do buraco negro. E a variação do comprimento de onda da luz de S2 está precisamente de acordo com a variação prevista pela teoria da relatividade geral de Einstein. Trata-se da primeira vez que este tipo de desvio às previsões da teoria da gravidade newtoniana é observado no movimento de uma estrela em torno de um buraco negro supermassivo.

A equipe usou o SINFONI para medir a velocidade de S2 ao aproximar-se e a afastar-se da Terra e o instrumento interferométrico GRAVITY para fazer medições extremamente precisas das variações de posição de S2 de modo a poder definir-se a forma da sua órbita. As imagens criadas pelo GRAVITY são tão nítidas que conseguem mostrar o movimento da estrela de noite para noite à medida que esta passa perto do buraco negro — a 26 000 anos-luz de distância da Terra.

“As nossas primeiras observações da S2 com o GRAVITY, há cerca de 2 anos atrás, mostraram que poderíamos ter efetivamente no buraco negro um laboratório ideal,” acrescenta Frank Eisenhauser (MPE),Pesquisador Principal do GRAVITY e do espectrógrafo SINFONI. “Durante a passagem próxima, pudemos inclusive detectar na maioria das imagens o brilho fraco da estrela orbitando em torno do buraco negro, o que nos permitiu seguir a sua órbita de forma muito precisa e detectar assim o desvio para o vermelho gravitacional no espectro de S2.”

Mais de cem anos após a publicação do seu artigo que descreveu as equações da relatividade geral, Einstein mostrou estar certo uma vez mais — e num laboratório muito mais extremo do que jamais poderia imaginar!

Françoise Delplancke, Chefe do Departamento de Engenharia de Sistemas no ESO, explica a importância destas observações: “No Sistema Solar podemos apenas testar as leis da física sob determinadas condições. Por isso é muito importante em astronomia testar também as leis que são ainda válidas quando os campos gravitacionais são muito mais fortes.”

Espera-se conseguir revelar outro efeito relativístico no final do ano com observações de acompanhamento — uma pequena rotação da órbita da estrela, conhecida por precessão de Schwarzschild — à medida que S2 se afasta do buraco negro.

Xavier Barcons, Diretor Geral do ESO, conclui: “O ESO tem trabalhado com Reinhard Genzel e a a sua equipe, assim como com colaboradores nos Estados Membros do ESO há mais de um quarto de século. O desenvolvimento de instrumentos extremamente poderosos necessários à obtenção destas medições tão delicadas revelou-se um tremendo desafio. A descoberta anunciada hoje trata-se do resultado extraordinário de uma parceria notável.” [5] [6]

[1] Crédito da imagem: ESO/M. Kornmesser.

[2] O GRAVITY foi desenvolvido por uma colaboração constituída por: Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (Alemanha), LESIA do Observatório de Paris–PSL / CNRS / Universidade Sorbonne / Univ. Paris Diderot e IPAG da Université Grenoble Alpes / CNRS (França), Instituto Max Planck de Astronomia (Alemanha), Universidade de Colônia (Alemanha), CENTRA–Centro de Astrofísica e Gravitação (Portugal) e ESO.

[3] S2 orbita o buraco negro a cada 16 anos numa órbita altamente excêntrica que a aproxima deste objeto a uma distância de cerca de 20 bilhões de km — 120 vezes a distância da Terra ao Sol, ou cerca de quatro vezes a distância do Sol a Netuno — no ponto mais próximo do buraco negro. Esta distância corresponde a cerca de 1500 vezes o raio de Schwarzschild do próprio buraco negro.

[4] As observações do centro da Via Láctea têm que ser feitas a comprimentos de onda maiores (neste caso, no infravermelho), uma vez que as nuvens de poeira entre a Terra e a região central absorvem fortemente a luz visível.

[5] Este trabalho foi descrito num artigo científico intitulado “Detection of the Gravitational Redshift in the Orbit of the Star S2 near the Galactic Centre Massive Black Hole“, pela Colaboração GRAVITY, publicado na revista da especialidade Astronomy & Astrophysics a 26 de Julho de 2018.

[6] Esta notícia científica foi traduzida por Margarida Serote (Portugal) e adaptada para o português brasileiro por Gustavo Rojas.

Como citar esta notícia científica: ESO. Confirmando a relatividade geral de Einstein perto de buraco negro. Tradução de Margarida Serote e Gustavo Rojas. Saense. http://www.saense.com.br/2018/07/confirmando-a-relatividade-geral-de-einstein-perto-de-buraco-negro/. Publicado em 26 de julho (2018).

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O ESO (European Southern Observatory) é a mais importante organização europeia intergovernamental para a investigação em astronomia e é de longe o observatório astronômico mais produtivo do mundo.

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