Quão rápido é a gravidade, exatamente?
Graças a observações de ondas gravitacionais, os cientistas conseguiram resolver um debate de longa data sobre a velocidade da gravidade.
- Ao longo da história, os cientistas propuseram muitas respostas para a velocidade exata da gravidade.
- De um modo geral, as duas proposições principais têm sido que a gravidade é infinitamente rápida ou tão rápida quanto a velocidade da luz.
- Graças às observações de ondas gravitacionais registradas em 2017, agora sabemos que a gravidade e a luz viajam na mesma velocidade.
De todas as forças fundamentais conhecidas pela humanidade, a gravidade é a mais familiar e a que mantém o Universo unido, conectando galáxias distantes em uma vasta e interconectada teia cósmica. Com isso em mente, uma questão fascinante a ser ponderada é se a gravidade tem velocidade. Acontece que sim, e os cientistas mediram com precisão.
Vamos começar com um experimento mental. Suponha que neste exato instante, de alguma forma, o Sol foi feito para desaparecer – não apenas escurecer, mas desaparecer completamente. Sabemos que a luz viaja a uma velocidade fixa: 300.000 quilômetros por segundo, ou 186.000 milhas por segundo. A partir da distância conhecida entre a Terra e o Sol (150 milhões de quilômetros, ou 93 milhões de milhas), podemos calcular quanto tempo levaria antes que nós aqui na Terra soubéssemos que o Sol havia desaparecido. Levaria cerca de oito minutos e 20 segundos antes que o céu do meio-dia ficasse escuro.
Mas e a gravidade? Se o sol desaparecesse, não só deixaria de emitir luz, mas também deixaria de exercer a gravidade que mantém os planetas em órbita. Quando descobriríamos?
Se a gravidade é infinitamente rápida, a gravidade também desapareceria assim que o Sol se tornasse inexistente. Ainda veríamos o Sol por pouco mais de oito minutos, mas a Terra já começaria a vagar, em direção ao espaço interestelar. Por outro lado, se a gravidade viajasse à velocidade da luz, nosso planeta continuaria a orbitar o Sol como de costume por oito minutos e 20 segundos, após o que pararia de seguir seu caminho familiar.
É claro que, se a gravidade viajasse em alguma outra velocidade, o intervalo entre quando os adoradores do Sol na praia notaram que o Sol se foi e quando os astrônomos observaram que a Terra estava indo na direção errada seria diferente. Então, qual é a velocidade da gravidade?
Diferentes respostas foram propostas ao longo da história científica. Sir Isaac Newton, que inventou a primeira teoria sofisticada da gravidade, acreditava que a velocidade da gravidade era infinita. Ele teria previsto que o caminho da Terra através do espaço mudaria antes que os humanos presos à Terra notassem que o Sol se foi.
Por outro lado, Albert Einstein acreditava que a gravidade viajava na velocidade da luz. Ele teria previsto que os humanos notariam simultaneamente o desaparecimento do Sol e a mudança do caminho da Terra através do cosmos. Ele construiu essa suposição em sua teoria da relatividade geral, que atualmente é a teoria da gravidade mais bem aceita, e prevê com muita precisão o caminho dos planetas ao redor do Sol. Sua teoria faz previsões mais precisas do que a de Newton. Então, podemos concluir que Einstein estava certo?
Não, não podemos. Se quisermos medir a velocidade da gravidade, precisamos pensar em uma maneira de medi-la diretamente. E, claro, como não podemos simplesmente “desaparecer” o Sol por alguns momentos para testar a ideia de Einstein, precisamos encontrar outra maneira.
A teoria da gravidade de Einstein fez previsões testáveis. A mais importante é que ele percebeu que a gravidade familiar que experimentamos pode ser explicada como uma distorção do tecido do espaço: quanto maior a distorção, maior a gravidade. E essa ideia tem consequências significativas. Sugere que o espaço é maleável, semelhante à superfície de um trampolim, que se distorce quando uma criança pisa nele. Além disso, se essa mesma criança pular no trampolim, a superfície muda: ela salta para cima e para baixo.
Da mesma forma, o espaço pode metaforicamente “saltar para cima e para baixo”, embora seja mais correto dizer que ele comprime e relaxa de forma semelhante à forma como o ar transmite ondas sonoras. Essas distorções espaciais são chamadas de “ondas gravitacionais” e viajam na velocidade da gravidade. Então, se pudermos detectar ondas gravitacionais, talvez possamos medir a velocidade da gravidade. Mas distorcer o espaço de maneira que os cientistas possam medir é bastante difícil e muito além da tecnologia atual. Felizmente, a natureza nos ajudou.
Medindo ondas gravitacionais
No espaço, os planetas orbitam as estrelas. Mas às vezes as estrelas orbitam outras estrelas. Algumas dessas estrelas já foram massivas e viveram suas vidas e morreram, deixando um buraco negro – o cadáver de uma estrela massiva e morta. Se duas dessas estrelas morreram, então você pode ter dois buracos negros orbitando um ao outro. À medida que orbitam, emitem pequenas (e atualmente indetectáveis) quantidades de radiação gravitacional, o que os faz perder energia e se aproximar um do outro. Eventualmente, os dois buracos negros se aproximam o suficiente para se fundirem. Esse processo violento libera enormes quantidades de ondas gravitacionais. Para a fração de segundo que os dois buracos negros se juntam, a fusão libera mais energia em ondas gravitacionais do que toda a luz emitida por todas as estrelas no Universo visível durante o mesmo tempo.
Enquanto a radiação gravitacional foi previsto em 1916, os cientistas levaram quase um século para desenvolver a tecnologia para detectá-lo. Para detectar essas distorções, os cientistas pegam dois tubos, cada um com cerca de 4 quilômetros de comprimento, e os orientam a 90 graus, para que formem um “L”. Eles então usam uma combinação de espelhos e lasers para medir o comprimento de ambas as pernas. A radiação gravitacional mudará o comprimento dos dois tubos de maneira diferente e, se eles virem o padrão correto de mudanças de comprimento, observarão ondas gravitacionais.
o primeira observação das ondas gravitacionais ocorreu em 2015, quando dois buracos negros localizados a mais de 1 bilhão de anos-luz da Terra se fundiram. Embora este tenha sido um momento muito emocionante na astronomia, não respondeu à questão da velocidade da gravidade. Para isso, era necessária uma observação diferente.
Embora as ondas gravitacionais sejam emitidas quando dois buracos negros colidem, essa não é a única causa possível. Ondas gravitacionais também são emitidas quando duas estrelas de nêutrons se chocam. As estrelas de nêutrons também são estrelas queimadas – semelhantes aos buracos negros, mas um pouco mais leves. Além disso, quando as estrelas de nêutrons colidem, elas não apenas emitem radiação gravitacional, mas também emitem uma poderosa explosão de luz que pode ser vista em todo o Universo. Para determinar a velocidade da gravidade, os cientistas precisavam ver a fusão de duas estrelas de nêutrons.
Inscreva-se para receber histórias contra-intuitivas, surpreendentes e impactantes entregues em sua caixa de entrada todas as quintas-feirasEm 2017, os astrônomos tiveram sua chance. Elas detectou uma onda gravitacional e pouco mais de dois segundos depois, observatórios orbitais detectaram radiação gama, que é uma forma de luz, do mesmo local no espaço originária de uma galáxia localizada a 130 milhões de anos-luz de distância. Finalmente, os astrônomos encontraram o que precisavam para determinar a velocidade da gravidade.
A fusão de duas estrelas de nêutrons emite luz e ondas gravitacionais ao mesmo tempo, portanto, se a gravidade e a luz tiverem a mesma velocidade, elas devem ser detectadas na Terra ao mesmo tempo. Dada a distância da galáxia que abrigava essas duas estrelas de nêutrons, sabemos que os dois tipos de ondas viajaram por cerca de 130 milhões de anos e chegaram com dois segundos de diferença uma da outra.
Então, essa é a resposta. A gravidade e a luz viajam na mesma velocidade, determinada por uma medição precisa. Ele valida Einstein mais uma vez e sugere algo profundo sobre a natureza do espaço. Os cientistas esperam um dia entender completamente por que esses dois fenômenos muito diferentes têm velocidades idênticas.
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