A Colaboração GRAVITY, uma equipe de pesquisadores em vários institutos renomados, incluindo o Instituto Max Planck, Observatório LESIA Paris e Observatório Europeu do Sul, testou recentemente parte do Princípio de Equivalência de Einstein, a saber, a invariância de posição local (LPI), próximo ao buraco negro supermassivo do centro da galáxia. Seu estudo, publicado na Physics Review Letters (PRL), investigou a dependência de diferentes transições atômicas no potencial gravitacional, a fim de fornecer um limite superior nas violações LPI.

"A relatividade geral e, em geral, todas as teorias métricas da gravidade são baseadas na equivalência da massa inercial e da massa gravitacional, formalizado no princípio de equivalência de Einstein, "Maryam Habibi, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "A relatividade geral é a melhor teoria da gravidade que temos, Contudo, ainda existem muitos quebra-cabeças sem resposta que estão intimamente ligados à nossa compreensão incompleta da gravidade. "

O princípio de equivalência, uma parte crucial da teoria da relatividade geral de Einstein, afirma que a força gravitacional experimentada em qualquer pequena região do espaço-tempo é a mesma que a pseudo-força experimentada por um observador em um referencial acelerado. Testar este princípio é de fundamental importância, já que pode levar a observações interessantes e ampliar nossa compreensão atual da gravidade.

"O princípio de equivalência de Einstein consiste em três princípios principais, "Habibi explicou." Um deles, chamada de invariância de posição local (LPI), afirma que as medições não gravitacionais devem ser independentes da localização no espaço-tempo (caracterizada pelo potencial gravitacional) onde são realizadas. A parte principal do nosso estudo se concentra em testar o princípio LPI. "

Observações anteriores sugerem que a maioria, se não todos, galáxias massivas contêm um buraco negro supermassivo, que normalmente está localizado no centro de uma galáxia. A massa do buraco negro supermassivo do centro galáctico da Via Láctea é 4 milhões de vezes maior que a do sol. Assim, gera o campo gravitacional mais forte da galáxia, o que o torna o lugar ideal para caçar fenômenos inexplorados e testar os princípios da relatividade geral.

Star S2, uma das estrelas mais brilhantes da região mais interna da Via Láctea, tem seu encontro mais próximo com o buraco negro supermassivo do centro galáctico a uma distância de 16,3 horas-luz. Em outras palavras, a estrela leva 16 anos para fazer uma órbita completa ao redor do buraco negro, que em escalas de tempo astronômicas é extremamente curto. S2 entra e sai do campo gravitacional do buraco negro, portanto, a equipe de colaboração do GRAVITY decidiu usá-lo para testar parte do princípio de equivalência de Einstein.

"Como estava previsto, e mostramos em um estudo anterior publicado em junho de 2018, durante a aproximação mais próxima da estrela S2 ao buraco negro, observamos o 'desvio para o vermelho gravitacional' na luz da estrela, "Habibi explicou." O desvio para o vermelho gravitacional ocorre porque a gravidade intensa na superfície da estrela diminui a vibração das ondas de luz, esticando-os e fazendo a estrela parecer mais vermelha do que o normal da Terra. "

Para testar o princípio LPI de Einstein, os pesquisadores usaram dois tipos diferentes de átomos na atmosfera estelar de S2:átomos de hidrogênio e hélio. O princípio LPI afirma que o desvio para o vermelho gravitacional visto em uma estrela que está entrando e saindo de um campo gravitacional forte depende apenas do potencial gravitacional e não depende de outros parâmetros, como a estrutura interna do átomo.

"Medimos a mudança de frequência da luz desses átomos se movendo através de um potencial variável, "Habibi disse." A vibração das ondas de luz foi medida pelo ajuste da velocidade da linha de visão do espectro do S2 usando as linhas espectrais de hidrogênio e hélio separadamente. Medindo a diferença na mudança de frequência para ambos os átomos, fomos capazes de dar um limite superior na violação LPI durante a passagem do pericentro. Se houve uma violação óbvia do LPI, deveríamos ter medido vibrações muito diferentes das ondas de luz, das linhas de hélio e hidrogênio. "

O princípio de equivalência e a relatividade geral em geral são apenas teorias, portanto, eles precisam ser testados a fim de verificar sua validade. Até aqui, a maioria dos pesquisadores realizou testes na Terra e no sistema solar.

Contudo, essas teorias também devem ser testadas em cenários extremos, pois isso pode determinar se eles ainda são válidos e levar a evidências mais conclusivas. Esses testes podem descartar alguns dos princípios que moldam nossa compreensão atual da gravidade ou identificar violações da teoria da relatividade geral.

"Testar o princípio de equivalência em todos os diferentes regimes é importante, pois várias teorias alternativas da gravitação preveem uma violação dela em condições extremas, "Felix Widmann, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "Para mim, a descoberta mais significativa de nosso estudo é que fomos capazes de testar o princípio de equivalência neste caso mais extremo:perto de um buraco negro supermassivo que está a mais de 20 mil anos-luz de distância. Os limites que colocamos em uma violação não são muito restritivo ainda, mas eles estão em um regime gravitacional que não foi testado antes. "

Habibi, Widmann e seus colegas foram os primeiros a testar parte do princípio de equivalência próximo ao buraco negro supermassivo central da Via Láctea. Seu trabalho fornece informações valiosas sobre a validade da relatividade geral, particularmente o princípio LPI.

"O ano passado foi excepcionalmente bem-sucedido para a colaboração GRAVITY, "Widmann disse." Pela primeira vez, observamos efeitos relativísticos na órbita de uma estrela em torno de um buraco negro supermassivo e usamos essa estrela para testar o Princípio de Equivalência. Também observamos material orbitando muito perto do buraco negro, outra observação que teria sido impossível sem GRAVIDADE. Contudo, isso é mais um começo do que um fim para nós. "

Com a estação ideal para a observação do centro galáctico ao virar da esquina, os pesquisadores da colaboração GRAVITY continuarão a apontar seus telescópios para S2 e o buraco negro supermassivo do centro da galáxia. De acordo com Widmann, a equipe pode em breve ser capaz de detectar efeitos relativísticos mais sutis na órbita de S2, o que lhes permitirá testar a teoria da relatividade geral mais uma vez. Em suas observações futuras, os pesquisadores também esperam ver mais atividade de flare em torno do buraco negro, pois isso permitiria mais estudos visando ampliar sua compreensão sobre o buraco negro do centro galáctico da Via Láctea e os buracos negros em geral.

"Com futuros telescópios como o Extremely Large Telescope, que tem um espelho de 39m de diâmetro, seremos capazes de realizar experimentos semelhantes e procurar efeitos 1 milhão de vezes menores de possíveis violações do LPI, em comparação com o que é possível hoje, "Widmann acrescentou." Isso nos permitirá testar a outra parte do princípio de equivalência de Einstein, chamado princípio de equivalência fraca, que afirma que um objeto em queda livre gravitacional é fisicamente equivalente a um objeto que está acelerando com a mesma quantidade de força na ausência de gravidade. O centro galáctico é um observatório único e com GRAVIDADE e futuros telescópios, queremos aprender o máximo possível sobre ele. "

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