Teoria da relatividade geral de Einstein é confirmada nos arredores de buraco negro
Observações revelam pela primeira vez efeitos de um forte campo gravitacional sobre luz de estrela
Escondido por densas nuvens de poeira, o buraco negro supermassivo mais próximo da Terra está a 26.000 anos-luz de distância, no centro da Via Láctea. Este monstro de gravidade, que tem quatro milhões de vezes mais massa do que o Sol, é cercado por um pequeno grupo de estrelas que orbitam ao seu redor em alta velocidade. Esse ambiente excepcional – o campo gravitacional mais forte de nossa galáxia – torna-o o lugar perfeito para testar ideias sobre física gravitacional, particularmente a teoria da relatividade geral de Einstein.
Em maio de 2018, astrônomos acompanharam o trajeto de uma destas estrelas, chamada S2, que passou muito perto do buraco negro – menos de 20 bilhões de quilômetros – e a uma velocidade de mais de 25 milhões de quilômetros por hora (três por cento da velocidade da luz). Esse deslocamento foi observado em infravermelho pelos instrumentos extraordinariamente sensíveis GRAVITY, NACO e SINFONI, que estão no Telescópio Very Large Telescope (VLT), que faz parte do Observatório Espacial Europeu (ESO, na sigla em inglês).
Essas medidas extremamente complexas foram feitas por uma equipe internacional liderada por Reinhard Genzel, do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE, na sigla em inglês), em Garching, na Alemanha, em conjunto com colaboradores de todo o mundo. As observações foram o auge de uma série de 26 anos de análises cada vez mais precisas do centro da Via Láctea usando instrumentos do ESO. Esta é a segunda vez que observamos a passagem próxima de S2 ao redor do buraco negro em nosso centro galáctico. Mas desta vez, graças ao aperfeiçoamento da instrumentação, pudemos observar a estrela com uma resolução sem precedentes”, explica Genzel. “Temos nos preparado intensamente para este evento ao longo de vários anos, pois queríamos aproveitar ao máximo esta oportunidade única de observar os efeitos da relatividade geral.”
As novas medições revelam claramente um efeito chamado desvio gravitacional para o vermelho. A luz da estrela é esticada a comprimentos de onda mais longos pelo campo gravitacional muito forte do buraco negro. E o alongamento do comprimento de onda da luz de S2 concorda precisamente com o previsto pela teoria da relatividade geral de Einstein.
Esta é a primeira vez que se observou tal diferença em relação às previsões feitas tomando-se por base a teoria da gravitação elaborada por Newton, considerada mais simples, quanto ao movimento de uma estrela em torno de um buraco negro supermassivo. A equipe usou o SINFONI para medir o movimento da S2 em direção a Terra e para longe dela, e o instrumento interferométrico GRAVITY para fazer medições extraordinariamente precisas da posição de S2, a fim de definir o formato de sua órbita. O GRAVITY cria imagens tão nítidas que podem revelar o movimento da estrela de uma noite para a outra enquanto ela passa próxima ao buraco negro – a 26.000 anos-luz da Terra.
“Nossas primeiras observações da S2, há cerca de dois anos, já mostravam que teríamos o “laboratório ideal” para buracos negros”, acrescenta Frank Eisenhauer (MPE), investigador principal do instrumento GRAVITY. “Durante sua aproximação, conseguimos não apenas seguir precisamente sua órbita, mas também pudemos detectar o brilho escasso em torno do buraco negro na maioria das imagens.” Ao combinar as medições de posição e velocidade de SINFONI e GRAVITY, bem como observações anteriores de outros instrumentos, a equipe pôde compará-las com as previsões da gravidade newtoniana, a relatividade geral e outras teorias da gravidade. Como esperado, os novos resultados são inconsistentes com as previsões newtonianas e se encontram em excelente concordância com as previsões da relatividade geral. Mais de cem anos após ter publicado seu artigo estabelecendo as equações da relatividade geral, Einstein se mostrou certo mais uma vez.
O Instituto de Física I da Universidade de Colônia contribuiu com a instrumentação da pesquisa desenvolvendo e construindo os dois espectrômetros do GRAVITY. Os espectrômetros analisam o comprimento de onda da luz estelar observada e convertem os fótons recebidos em sinais eletrônicos. “O GRAVITY é um desafio tecnológico. Mas depois de termos passado mais de duas décadas realizando pesquisa astrofísica com as estrelas de alta velocidade no Centro Galáctico e desenvolvendo instrumentação astronômica, o esforço foi recompensado com um excelente resultado na física experimental”, diz Andreas Eckhart, da Universidade de Colônia.
Espera-se que a continuação das observações revele outro efeito da relatividade geral no fim do ano – uma pequena rotação da órbita estelar, conhecida como precessão de Schwarzschild – à medida que a S2 se afastar do buraco negro.
Universidade de Colônia.