A teoria da relatividade geral e a criação cósmica passam por 7 testes
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| Einstein celebrando as confirmações experimentais da Teoria da Relatividade (Imagem gerada por IA em Google Whisk) |
por Hugh Ross
7 de março de 2022
Novas e sofisticadas medições de ondas de rádio provenientes de duas estrelas massivas forneceram evidências importantes para a compreensão de como o universo começou. Uma equipe internacional de astrônomos realizou o conjunto de testes mais definitivo até o momento da teoria da relatividade geral (RG) de Einstein e, por extensão, da doutrina bíblica da criação cósmica. Uma vez que a Relatividade Geral descreve a teoria da gravidade e, portanto, características da estrutura do espaço-tempo do universo, ela é consistente com um modelo de criação cósmica.
A equipe de 29 pesquisadores liderada por Michael Kramer, do Instituto Max Planck de Radioastronomia, publicou os resultados de seu estudo de 16 anos sobre as mudanças orbitais no sistema de pulsares PSR J0737-3039A/B. Este sistema é o único caso conhecido de dois pulsares ativos orbitando um ao outro. Um pulsar é uma estrela de nêutrons que produz emissões de rádio pulsantes regulares como resultado da presença de um forte campo magnético. Os pulsares giram extremamente rápido e emitem feixes de luz poderosos que "pulsam" em nossa visão, de forma semelhante aos feixes de luz de um farol.
Os dois pulsares (um sistema de duas estrelas é conhecido como binário) no sistema PSR J0737-3039, A e B, têm taxas de rotação de 22,70 e 2,77 milissegundos, respectivamente. Portanto, os radioastrônomos observam 44 e 361 pulsos de radiação por segundo provenientes de A e B, respectivamente.
O período orbital atual de B em torno de A é de apenas 2,454 horas. Este período orbital é o mais curto já conhecido para pulsares com uma companheira binária. É três vezes menor que o do sistema pulsar-estrela de nêutrons PSR B1913+16, que forneceu o melhor teste anterior da teoria da relatividade geral de Einstein, uma medição pela qual os físicos Joseph Taylor e Russell Hulse receberam o Prêmio Nobel de Física de 1993.
O Pulsar Duplo
As duas estrelas de nêutrons no sistema PSR J0737-3039 têm massas de 1,338 e 1,249 vezes a massa do Sol. Os diâmetros dessas estrelas são cerca de 116.000 vezes menores que o do Sol. Suas densidades ultrapassam 2 bilhões de toneladas por colher de chá!
A excentricidade orbital deste sistema binário é de 0,088 (para comparação, a excentricidade orbital da Terra é de 0,0167). A estabilidade rotacional (frequência de pulsação) das duas estrelas de nêutrons é comparável à dos melhores relógios atômicos. Estudos anteriores de longo prazo sobre os desvios extremamente pequenos da estabilidade rotacional de outros pulsares revelam que as estrelas de nêutrons possuem uma crosta sólida de nêutrons e um interior líquido de nêutrons.
As teorias da gravidade são melhor testadas quando há uma ou duas estrelas de nêutrons em um sistema binário. Os melhores candidatos são aqueles em que duas estrelas de nêutrons orbitam uma à outra e em que ambas são pulsares. Melhor ainda é quando os dois pulsares têm um período orbital curto, uma excentricidade orbital diferente de zero e planos orbitais alinhados com a nossa linha de visão. É notável, e alguns diriam uma dádiva divina, que o único pulsar binário conhecido apresente todas essas características ideais para testar teorias da gravidade.
Sete Testes
Para medir os pulsos do sistema PSR J0737-3039, a equipe de Kramer utilizou seis dos maiores radiotelescópios (o Telescópio Robert C. Byrd Green Bank, o Radiotelescópio de 100 m de Effelsberg, o Observatório Jodrell Bank, o Observatório de Rádio Nançay, o Radiotelescópio de Síntese de Westerbork e o radiotelescópio de Parkes), além do Very Long Baseline Array (VLBA). O VLBA consiste em dez radiotelescópios de 25 metros, que se estendem do Havaí às Ilhas Virgens e estão interligados como um interferômetro. O VLBA foi crucial para determinar uma medição precisa da distância direta até o sistema PSR J0737-3039, sem a qual os testes de precisão da Relatividade Geral não teriam sido possíveis. As medições dos sete sistemas de telescópios forneceram sete testes diferentes.
A equipe de Kramer foi paciente. Eles continuaram observando os pulsares PSR J0737-3039 mês após mês, ano após ano, sem publicar nenhum resultado. Mesmo quando as colaborações LIGO e Virgo publicaram suas detecções diretas das ondas gravitacionais previstas pela Relatividade Geral a partir da fusão de buracos negros e estrelas de nêutrons, [2] a equipe de Kramer manteve-se inerte. Eles esperaram até acumularem medições suficientes para determinar a energia transportada pelas ondas gravitacionais com uma precisão 1.000 vezes maior do que qualquer coisa alcançada pelos telescópios de ondas gravitacionais LIGO e Virgo.
Contexto dos Testes
A Relatividade Geral passou em todos os testes experimentais e observacionais que astrônomos e físicos desenvolveram até o momento. Descrevi esses testes em The Creator and the Cosmos (O Criador e o cosmos), 4ª edição. Os testes não deixaram dúvidas de que a Relatividade Geral é a resposta definitiva para a descrição da gravidade. Existe, no entanto, um regime (fenômeno natural) onde havia a possibilidade de uma teoria alternativa da gravidade contribuir substancialmente. Esse regime são os campos gravitacionais extremamente fortes que existem perto de estrelas de nêutrons e buracos negros. O campo gravitacional na superfície de uma estrela de nêutrons típica é cerca de 200 bilhões de vezes maior que o da superfície da Terra. Portanto, um homem de 90 kg na Terra pesaria 20 bilhões de toneladas em uma estrela de nêutrons!
O Que os Testes Alcançaram
A paciência da equipe de Kramer foi recompensada. Suas observações produziram os testes mais abrangentes e precisos da Relatividade Geral para regimes de campo gravitacional forte. Ao observar as reduções nas massas das estrelas de nêutrons, no tamanho de suas órbitas e em pequenas variações no tempo de seus pulsos, Kramer e seus colegas realizaram sete testes distintos da Relatividade Geral.
Dois dos sete testes nunca haviam sido realizados. Por exemplo, a equipe de Kramer mostrou como os fótons de uma das estrelas de nêutrons diminuíam a velocidade e sua trajetória se curvava ao passar pelo intenso campo gravitacional da outra estrela de nêutrons. Os efeitos observados estavam de acordo com as previsões da Relatividade Geral. Outro teste inédito foi a demonstração de como a gravidade distorcia a forma da órbita das estrelas de nêutrons — novamente, exatamente como previsto pela Relatividade Geral.
Os resultados dos sete testes, expressos como observações em comparação com as previsões da Relatividade Geral, são os seguintes: [4]
7 de março de 2022
Novas e sofisticadas medições de ondas de rádio provenientes de duas estrelas massivas forneceram evidências importantes para a compreensão de como o universo começou. Uma equipe internacional de astrônomos realizou o conjunto de testes mais definitivo até o momento da teoria da relatividade geral (RG) de Einstein e, por extensão, da doutrina bíblica da criação cósmica. Uma vez que a Relatividade Geral descreve a teoria da gravidade e, portanto, características da estrutura do espaço-tempo do universo, ela é consistente com um modelo de criação cósmica.
A equipe de 29 pesquisadores liderada por Michael Kramer, do Instituto Max Planck de Radioastronomia, publicou os resultados de seu estudo de 16 anos sobre as mudanças orbitais no sistema de pulsares PSR J0737-3039A/B. Este sistema é o único caso conhecido de dois pulsares ativos orbitando um ao outro. Um pulsar é uma estrela de nêutrons que produz emissões de rádio pulsantes regulares como resultado da presença de um forte campo magnético. Os pulsares giram extremamente rápido e emitem feixes de luz poderosos que "pulsam" em nossa visão, de forma semelhante aos feixes de luz de um farol.
Os dois pulsares (um sistema de duas estrelas é conhecido como binário) no sistema PSR J0737-3039, A e B, têm taxas de rotação de 22,70 e 2,77 milissegundos, respectivamente. Portanto, os radioastrônomos observam 44 e 361 pulsos de radiação por segundo provenientes de A e B, respectivamente.
O período orbital atual de B em torno de A é de apenas 2,454 horas. Este período orbital é o mais curto já conhecido para pulsares com uma companheira binária. É três vezes menor que o do sistema pulsar-estrela de nêutrons PSR B1913+16, que forneceu o melhor teste anterior da teoria da relatividade geral de Einstein, uma medição pela qual os físicos Joseph Taylor e Russell Hulse receberam o Prêmio Nobel de Física de 1993.
O Pulsar Duplo
As duas estrelas de nêutrons no sistema PSR J0737-3039 têm massas de 1,338 e 1,249 vezes a massa do Sol. Os diâmetros dessas estrelas são cerca de 116.000 vezes menores que o do Sol. Suas densidades ultrapassam 2 bilhões de toneladas por colher de chá!
A excentricidade orbital deste sistema binário é de 0,088 (para comparação, a excentricidade orbital da Terra é de 0,0167). A estabilidade rotacional (frequência de pulsação) das duas estrelas de nêutrons é comparável à dos melhores relógios atômicos. Estudos anteriores de longo prazo sobre os desvios extremamente pequenos da estabilidade rotacional de outros pulsares revelam que as estrelas de nêutrons possuem uma crosta sólida de nêutrons e um interior líquido de nêutrons.
As teorias da gravidade são melhor testadas quando há uma ou duas estrelas de nêutrons em um sistema binário. Os melhores candidatos são aqueles em que duas estrelas de nêutrons orbitam uma à outra e em que ambas são pulsares. Melhor ainda é quando os dois pulsares têm um período orbital curto, uma excentricidade orbital diferente de zero e planos orbitais alinhados com a nossa linha de visão. É notável, e alguns diriam uma dádiva divina, que o único pulsar binário conhecido apresente todas essas características ideais para testar teorias da gravidade.
Sete Testes
Para medir os pulsos do sistema PSR J0737-3039, a equipe de Kramer utilizou seis dos maiores radiotelescópios (o Telescópio Robert C. Byrd Green Bank, o Radiotelescópio de 100 m de Effelsberg, o Observatório Jodrell Bank, o Observatório de Rádio Nançay, o Radiotelescópio de Síntese de Westerbork e o radiotelescópio de Parkes), além do Very Long Baseline Array (VLBA). O VLBA consiste em dez radiotelescópios de 25 metros, que se estendem do Havaí às Ilhas Virgens e estão interligados como um interferômetro. O VLBA foi crucial para determinar uma medição precisa da distância direta até o sistema PSR J0737-3039, sem a qual os testes de precisão da Relatividade Geral não teriam sido possíveis. As medições dos sete sistemas de telescópios forneceram sete testes diferentes.
A equipe de Kramer foi paciente. Eles continuaram observando os pulsares PSR J0737-3039 mês após mês, ano após ano, sem publicar nenhum resultado. Mesmo quando as colaborações LIGO e Virgo publicaram suas detecções diretas das ondas gravitacionais previstas pela Relatividade Geral a partir da fusão de buracos negros e estrelas de nêutrons, [2] a equipe de Kramer manteve-se inerte. Eles esperaram até acumularem medições suficientes para determinar a energia transportada pelas ondas gravitacionais com uma precisão 1.000 vezes maior do que qualquer coisa alcançada pelos telescópios de ondas gravitacionais LIGO e Virgo.
Contexto dos Testes
A Relatividade Geral passou em todos os testes experimentais e observacionais que astrônomos e físicos desenvolveram até o momento. Descrevi esses testes em The Creator and the Cosmos (O Criador e o cosmos), 4ª edição. Os testes não deixaram dúvidas de que a Relatividade Geral é a resposta definitiva para a descrição da gravidade. Existe, no entanto, um regime (fenômeno natural) onde havia a possibilidade de uma teoria alternativa da gravidade contribuir substancialmente. Esse regime são os campos gravitacionais extremamente fortes que existem perto de estrelas de nêutrons e buracos negros. O campo gravitacional na superfície de uma estrela de nêutrons típica é cerca de 200 bilhões de vezes maior que o da superfície da Terra. Portanto, um homem de 90 kg na Terra pesaria 20 bilhões de toneladas em uma estrela de nêutrons!
O Que os Testes Alcançaram
A paciência da equipe de Kramer foi recompensada. Suas observações produziram os testes mais abrangentes e precisos da Relatividade Geral para regimes de campo gravitacional forte. Ao observar as reduções nas massas das estrelas de nêutrons, no tamanho de suas órbitas e em pequenas variações no tempo de seus pulsos, Kramer e seus colegas realizaram sete testes distintos da Relatividade Geral.
Dois dos sete testes nunca haviam sido realizados. Por exemplo, a equipe de Kramer mostrou como os fótons de uma das estrelas de nêutrons diminuíam a velocidade e sua trajetória se curvava ao passar pelo intenso campo gravitacional da outra estrela de nêutrons. Os efeitos observados estavam de acordo com as previsões da Relatividade Geral. Outro teste inédito foi a demonstração de como a gravidade distorcia a forma da órbita das estrelas de nêutrons — novamente, exatamente como previsto pela Relatividade Geral.
Os resultados dos sete testes, expressos como observações em comparação com as previsões da Relatividade Geral, são os seguintes: [4]
Clique nos textos da coluna da esquerda para acessar a fonte
| Teste da Relatividade Geral | Comparação com a previsão da Relatividade Geral onde Relatividade Geral = 1,0 |
| Intervalo de atraso de Shapiro | 1.00009 ± 0.00018 |
| Forma de atraso de Shapiro | 1.0016 ± 0.0034 |
| Dilatação do tempo | 1.00012 ± 0.00025 |
| Avanço do periastro | 1.000015 ± 0.000026 |
| Emissão de ondas gravitacionais | 0.999963 ± 0.000063 |
| Deformação orbital | 1.3 ± 0.13 |
| Precessão de spin | 0.94 ± 0.13 |
O atraso de Shapiro recebeu esse nome em homenagem a Irwin Shapiro, que realizou os primeiros testes de alta precisão da Relatividade Geral na década de 1970. [5] Estávamos na equipe de pesquisa do Caltech ao mesmo tempo, e eu tive várias conversas com ele sobre testes de Relatividade Geral e suas implicações.
Os resultados destes sete testes provêm de 16,2 anos de observação do sistema PSR J0737-3039. Os resultados irão inevitavelmente melhorar com mais tempo de observação. (Os erros de medição são reduzidos pela raiz quadrada do tempo de observação. Por exemplo, quatro anos de medições, comparados com apenas um ano de medições, reduzem o erro de medição pela metade.) Espera-se uma melhoria drástica em apenas 10 a 20 anos. Dentro de uma década, medições mais precisas da deformação orbital da precessão dos spins dos pulsares permitirão determinar os valores dos diâmetros das estrelas de nêutrons.
Implicações Físicas e Filosóficas
Os valores dos diâmetros das estrelas de nêutrons permitirão aos astrônomos compreender o comportamento dos nêutrons densamente compactados em seus interiores. Esse conhecimento proporcionará refinamentos e revelações aprimorados nos modelos de criação de partículas.
Os resultados publicados pela equipe já forneceram novas informações sobre as propriedades do meio interestelar entre PSR J0737-3039 e a Terra, e observações futuras trarão ainda mais conhecimento. Essas observações futuras também prometem fornecer modelos mais abrangentes e detalhados para a formação de sistemas de pulsares duplos e para a probabilidade de descobrirmos um ou mais desses sistemas.
O resultado mais empolgante dos estudos dos pesquisadores é que a Relatividade Geral agora se destaca como, de longe, o princípio mais exaustivamente testado e comprovado na física. A Relatividade Geral foi confirmada em todos os regimes de campo gravitacional.
Essa afirmação deve ser uma boa notícia para todos os teístas e especialmente para os cristãos. Os teoremas do espaço-tempo provaram que o universo tem um começo. Esse começo inclui o começo do espaço e do tempo e se baseia na premissa de que o universo contém massa e que a Relatividade Geral descreve de forma confiável a dinâmica de corpos massivos no universo. Graças à forma exaustiva como a Relatividade Geral foi testada e comprovada em todos os testes com louvor, podemos ter extrema confiança de que o universo tem um começo e que um Agente Causal além do espaço e do tempo criou nosso universo de matéria, energia, espaço e tempo, exatamente como a Bíblia declarou há milhares de anos.
Notas de Fim
- Michael Kramer et al., “Strong-Field Gravity Tests with the Double Pulsar”, Physical Review X 11, n.º 4 (13 de dezembro de 2021): id. 041050, doi:10.1103/PhysRevX.11.041050.
- B. P. Abbott et al., “Astrophysical Implications of the Binary Black Hole Merger GW150914”, Astrophysical Journal Letters 818, n.º 2 (20 de fevereiro de 2016): id. L22, doi:10.3847/2041-8205/818/2/L22; Hugh Ross, “How Gravitational Waves Help Explain the Universe’s Beginning”, Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, 10 de março de 2016. {O artigo de Reasons to Belive encontra-se publicado traduzido aqui no blog sob o título Como as ondas gravitacionais ajudam a explicar a história do universo.}
- Hugh Ross, The Creator and the Cosmos, 4th edition (Covina, CA: RTB Press, 2018), 114–120.
- Kramer et al., “Strong-Field Gravity Tests”, 37.
- Irwin I. Shapiro, “Fourth Test of General Relativity”, Physical Review Letters 13, n.º 26 (28 de dezembro de 1964): 789–791, doi:10.1103/PhysRevLett.13.789.
- Hugh Ross e John Rea, “Big Bang — The Bible Taught It First!”, Reasons to Believe (1º de julho de 2000); Hugh Ross, “Does the Bible Teach Big Bang Cosmology?” Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, 27 de agosto de 2019. {Os artigos foram ublicados traduzidos aqui no blog com, respectivamente, os seguintes títulos: Big Bang — A Bíblia ensinou primeiro! e A Bíblia ensina a cosmologia do Big Bang?.}
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Traduzido de General Relativity and Cosmic Creation Pass 7 Tests (RTB)
Etiquetas:
origem do universo - cosmologia
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