Capítulo 7: Testes Experimentais da Relatividade Geral

Nos capítulos anteriores, vimos como a teoria geral da relatividade de Einstein mudou radicalmente nossa compreensão da gravidade, do espaço e do tempo. A teoria faz uma série de previsões impressionantes que diferem da gravidade newtoniana, como a curvatura da luz das estrelas pelo Sol, a precessão da órbita de Mercúrio e o desvio para o vermelho gravitacional da luz. Neste capítulo, exploraremos essas previsões em detalhes e examinaremos as evidências observacionais acumuladas ao longo do último século para testar a relatividade geral. Começaremos com os três "testes clássicos" propostos pelo próprio Einstein, e depois passaremos para testes mais modernos envolvendo fenômenos como lentes gravitacionais, ondas gravitacionais e buracos negros. Como veremos, a relatividade geral passou em todos os testes com distinção, consolidando sua posição como nossa melhor teoria da gravidade até o momento.

Os Três Testes Clássicos

Logo após Einstein publicar sua teoria geral da relatividade em 1915, ele propôs três testes observacionais que poderiam confirmar ou refutar a teoria. Esses testes, que ficaram conhecidos como "testes clássicos" da relatividade geral, eram:

1. A precessão do periélio de Mercúrio
2. O desvio da luz das estrelas pelo Sol
3. O desvio para o vermelho gravitacional da luz

Vamos examinar cada um desses testes em ordem.

A Precessão do Periélio de Mercúrio

O planeta Mercúrio possui uma órbita altamente elíptica ao redor do Sol, com sua aproximação mais próxima (periélio) precessionando uma pequena quantidade a cada órbita. De acordo com a gravidade newtoniana, essa precessão deveria ser totalmente explicada pelas atrações gravitacionais dos outros planetas. No entanto, observações precisas no final do século XIX revelaram uma pequena discrepância: o periélio de Mercúrio estava avançando cerca de 43 segundos de arco por século a mais do que a teoria de Newton previa.

Essa anomalia havia intrigado os astrônomos por décadas, e alguns até sugeriram a existência de um planeta invisível ("Vulcano") próximo ao Sol para explicá-la. Mas, em 1915, Einstein mostrou que sua teoria geral da relatividade naturalmente explicava a precessão excedente de Mercúrio. De acordo com a relatividade geral, a curvatura do espaço-tempo ao redor do Sol faz com que a órbita de Mercúrio precesse por mais 43 segundos de arco por século, em perfeito acordo com as observações.

Esse foi um grande triunfo para a teoria de Einstein. Ela explicou um mistério antigo e forneceu evidências convincentes para a existência da curvatura do espaço-tempo. Hoje, a precessão do periélio de Mercúrio é considerada um dos pilares observacionais fundamentais da relatividade geral.

O Desvio da Luz das Estrelas pelo Sol

Outra previsão da relatividade geral é que a luz deve ser desviada por campos gravitacionais. De acordo com a teoria, um raio de luz das estrelas que passa perto do Sol deve ser curvado por um ângulo pequeno, com o desvio sendo duas vezes maior do que o previsto pela gravidade newtoniana.

Einstein percebeu que esse efeito poderia ser testado durante um eclipse solar total, quando estrelas próximas ao Sol se tornam visíveis no céu escurecido diurno. Comparando as posições aparentes das estrelas durante o eclipse com suas posições normais durante a noite, os astrônomos poderiam medir o desvio e verificar se coincidia com a previsão da relatividade geral.

A primeira tentativa de medir esse efeito foi feita durante o eclipse solar total de 1919, por duas expedições lideradas pelo astrônomo britânico Arthur Eddington. Uma equipe viajou para a ilha de Príncipe, próxima à costa da África, enquanto a outra foi para Sobral, no Brasil. Apesar dos desafios impostos pelo clima e pelo equipamento, ambas as equipes conseguiram fotografar o eclipse e medir as posições das estrelas.

Quando os resultados foram analisados, eles mostraram que a luz das estrelas era de fato desviada pelo Sol, com uma magnitude que correspondia de perto à previsão de Einstein. A notícia foi destaque em todo o mundo e catapultou Einstein à fama internacional. A curvatura da luz das estrelas pelo Sol foi vista como uma confirmação dramática da relatividade geral e da existência do espaço-tempo curvo.

Desde 1919, o teste do desvio da luz tem sido repetido muitas vezes com cada vez mais precisão, utilizando telescópios de rádio e ópticos. As medições mais precisas até o momento, feitas com interferometria de muito longa linha de base (VLBI), verificaram a relatividade geral com uma precisão de 0,02%.

O Desvio Para o Vermelho Gravitacional da Luz

O terceiro teste clássico da relatividade geral envolve o desvio para o vermelho gravitacional da luz. De acordo com a relatividade geral, a luz emitida em um campo gravitacional deve ter seu comprimento de onda aumentado (ou seja, sofrer um desvio para o vermelho) ao sair do poço gravitacional. Quanto mais forte o campo gravitacional, maior o desvio para o vermelho.

Einstein propôs que esse efeito poderia ser medido usando linhas espectrais do Sol. A luz emitida pelos átomos na atmosfera do Sol deve apresentar um desvio para o vermelho ligeiramente maior em comparação com as mesmas linhas produzidas em um laboratório na Terra, devido ao forte campo gravitacional do Sol.

Medir esse desvio para o vermelho gravitacional mostrou-se bastante desafiador, devido à necessidade de espectroscopia extremamente precisa e à presença de outros efeitos que podem deslocar as linhas espectrais (como o desvio Doppler devido à rotação do Sol). A primeira medição bem-sucedida foi feita em 1925 por Walter Adams, utilizando um espectrógrafo no telescópio de 100 polegadas no Observatório Mount Wilson. Adams encontrou um desvio para o vermelho gravitacional que era consistente com a previsão de Einstein, embora com uma incerteza bastante grande.

Testes mais precisos do desvio para o vermelho gravitacional foram feitos desde então, usando o efeito Mössbauer e relógios atômicos. Na década de 1960, Robert Pound e Glen Rebka mediram o desvio para o vermelho de raios gama que subiam e desciam uma torre de 22 metros na Universidade de Harvard, confirmando a relatividade geral com uma precisão de 1%. Experimentos posteriores usando relógios a hidrogênio levados por foguetes verificaram o desvio para o vermelho com uma precisão de algumas partes em 10^5. O desvio gravitacional vermelho não é apenas um teste chave da teoria da relatividade geral, mas também uma preocupação prática para os satélites de GPS, os quais experimentam um desvio gravitacional significativo devido à gravidade da Terra. Sem corrigir esse efeito, a navegação por GPS estaria errada por vários quilômetros por dia.

Testes Modernos da Teoria da Relatividade Geral

Enquanto os três testes clássicos forneceram as primeiras evidências fortes para a teoria da relatividade geral, muitos outros testes têm sido concebidos e realizados desde que a teoria de Einstein foi publicada há um século. Esses testes modernos investigam a teoria da relatividade geral em regimes novos e extremos, aproveitando-se de tecnologias avançadas que eram impensáveis no tempo de Einstein.

Lentes Gravitacionais

Uma das previsões mais marcantes da teoria da relatividade geral é o fenômeno das lentes gravitacionais. Assim como uma lente de vidro desvia os raios de luz que a atravessam, um objeto massivo (como uma galáxia ou aglomerado de galáxias) pode desviar o caminho da luz de uma fonte de fundo, agindo como uma "lente gravitacional."

Existem três regimes principais de lentes gravitacionais:

1. Lentes fortes: Isso ocorre quando a lente é massiva o suficiente e está bem alinhada o suficiente para produzir múltiplas imagens, arcos ou anéis da fonte de fundo. A primeira lente forte foi descoberta em 1979, na forma de duas imagens gêmeas de um quasar que eram na verdade duas imagens do mesmo quasar, desviadas por uma galáxia em primeiro plano. Centenas de lentes fortes são conhecidas atualmente, e elas fornecem uma maneira de mapear a distribuição da matéria escura e testar a teoria da relatividade geral em escalas de quiloparsec.

2. Lentes fracas: Esse é um efeito mais sutil que ocorre quando a massa da lente não é forte o suficiente para produzir múltiplas imagens, mas ainda distorce as formas das galáxias de fundo. Ao analisar estatisticamente essas distorções de forma em grandes áreas do céu, os astrônomos podem mapear a estrutura de grande escala do universo e testar a teoria da relatividade geral em escalas cósmicas. A lente fraca se tornou uma sondagem importante para a cosmologia nos últimos anos, com grandes pesquisas como o Levantamento de Energia Escura e o Levantamento de Grau Quilômetro fornecendo medidas cada vez mais precisas.

3. Microlentes: Isso ocorre quando um objeto compacto (como uma estrela ou planeta) passa na frente de uma estrela de fundo, causando um brilho temporário desta última devido ao efeito de lente gravitacional. A microlente tem sido usada para descobrir exoplanetas e investigar a população de buracos negros e outros objetos escuros em nossa galáxia. Ela também fornece um teste da teoria da relatividade geral em escalas estelares.

As lentes gravitacionais têm fornecido algumas das confirmações mais espetaculares da teoria da relatividade geral até hoje. O número observado, a distribuição e as propriedades dos sistemas lenteados estão em excelente concordância com as previsões da teoria da relatividade geral e impuseram restrições rigorosas a teorias alternativas da gravidade.

Ondas Gravitacionais

Talvez o desenvolvimento mais emocionante nos testes da teoria da relatividade geral nos últimos anos tenha sido a detecção direta de ondas gravitacionais. Essas são oscilações na própria estrutura do espaço-tempo, produzidas por massas aceleradas e propagando-se à velocidade da luz. Einstein previu a existência de ondas gravitacionais em 1916, mas duvidou que elas fossem algum dia ser detectadas devido à sua amplitude extremamente pequena.

Um século depois, o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria a Laser (LIGO, na sigla em inglês) obteve sucesso em medir as minúsculas distorções do espaço-tempo produzidas pelas ondas gravitacionais. A primeira detecção, feita em setembro de 2015, veio da fusão de dois buracos negros a cerca de 1,3 bilhão de anos-luz de distância. A forma de onda observada correspondeu às previsões da teoria da relatividade geral com uma precisão de poucos por cento, fornecendo uma confirmação impressionante da teoria no regime de campo forte e alta velocidade.

Desde então, dezenas de outros eventos de ondas gravitacionais foram detectados pelo LIGO e seu correspondente europeu, Virgo. Estes eventos incluíram fusões de buracos negros binários, estrelas de nêutrons binárias e até mesmo possíveis fusões de estrela de nêutrons com buracos negros. Cada evento proporciona um novo teste da teoria da relatividade geral sob condições extremas, e até agora a teoria tem se saído muito bem.

A astronomia de ondas gravitacionais abriu uma nova janela para o universo, permitindo-nos investigar regiões e eventos que são invisíveis à radiação eletromagnética. Ela também proporcionou alguns dos testes mais rigorosos da teoria da relatividade geral até o momento, confirmando previsões importantes como a existência de buracos negros, a propagação de ondas gravitacionais à velocidade da luz e o "teorema do não-cabelo" (que afirma que buracos negros são completamente caracterizados por sua massa, carga e rotação).

Evidências Observacionais de Buracos Negros

Os buracos negros são talvez as previsões mais extremas e enigmáticas da teoria da relatividade geral. São regiões do espaço-tempo onde a curvatura se torna tão intensa que nada, nem mesmo a luz, pode escapar de dentro do horizonte de eventos. Os buracos negros são uma consequência direta das equações de Einstein, mas durante muitos anos foram considerados uma curiosidade matemática em vez de uma realidade física.

Hoje, entretanto, há evidências observacionais esmagadoras da existência de buracos negros. Essas evidências vêm de várias linhas de pesquisa:

1. Binárias de raios-X: Estes são sistemas nos quais um buraco negro ou estrela de nêutrons está atraindo matéria de uma estrela companheira. À medida que a matéria se espirala e aquece, ela emite raios-X que podem ser detectados por telescópios. As propriedades dessas emissões de raios-X, especialmente a variabilidade rápida e as altas energias envolvidas, fornecem evidências sólidas para a presença de um objeto compacto como um buraco negro.

2. Buracos negros supermassivos: No centro da maioria das galáxias, incluindo a nossa própria Via Láctea, existem objetos compactos com massas de milhões a bilhões de vezes a massa do Sol. Esses objetos são muito massivos e compactos para serem explicados por aglomerados de estrelas ou outros objetos conhecidos, e suas propriedades correspondem às esperadas para buracos negros supermassivos. As melhores evidências vêm de observações de estrelas orbitando o Centro Galáctico, que permitiram aos astrônomos medir a massa e o tamanho do objeto central com grande precisão.

3. Ondas gravitacionais: Como mencionado acima, os sinais de ondas gravitacionais detectados pelo LIGO e Virgo correspondem às previsões para a fusão de buracos negros. As massas, rotações e outras propriedades inferidas a partir desses sinais são consistentes com buracos negros e inconsistentes com outros objetos compactos como estrelas de nêutrons.

4. Telescope do Horizonte de Eventos: Em 2019, a colaboração do Telescópio do Horizonte de Eventos divulgou a primeira imagem direta de um buraco negro. Ao ligar radiotelescópios ao redor do mundo para formar um telescópio virtual do tamanho da Terra, eles foram capazes de resolver o horizonte de eventos do buraco negro supermassivo no centro da galáxia M87. O tamanho e a forma observados da sombra do buraco negro corresponderam às previsões da relatividade geral, fornecendo uma impressionante confirmação visual da teoria.

A evidência observacional para os buracos negros é agora tão forte que sua existência é considerada quase certa. Eles fornecem alguns dos testes mais extremos para a relatividade geral, sondando a teoria em regiões de forte curvatura e altas velocidades. Até agora, a RG passou por todos esses testes, solidificando ainda mais seu status como nossa melhor teoria da gravidade.

Conclusão

Um século após o seu surgimento, a relatividade geral ainda é a nossa teoria da gravidade mais precisa e bem testada. Desde os testes clássicos propostos por Einstein até as observações de ponta de ondas gravitacionais e buracos negros, a teoria tem sido submetida a testes cada vez mais precisos e rigorosos, e tem saído vencedora todas as vezes.

A confirmação da relatividade geral não é apenas um triunfo para a própria teoria, mas para o método científico como um todo. A RG fez uma série de previsões audaciosas e contraintuitivas que diferiam acentuadamente da gravidade newtoniana e do senso comum. No entanto, quando essas previsões foram testadas por experimentos e observações cuidadosamente projetados, descobriu-se que estavam corretas. Esta é a essência da ciência: fazer previsões testáveis e deixar que a natureza seja o árbitro definitivo da verdade.

É claro que nenhuma teoria científica está completa ou finalizada. Ainda existem muitas perguntas em aberto e questões sem resposta.