Fusões de buracos negros testam os limites da relatividade geral.

 A relatividade geral é uma das teorias fundamentais da física moderna. Sua visão peculiar do tempo e do espaço relativos foi confirmada por inúmeros testes experimentais e observacionais, desde o arrasto de referenciais rotacionais até a radiação de ondas gravitacionais. Mas há razões para acreditar que ela não representa a palavra final sobre a natureza do espaço e do tempo.

Descobertas feitas pela rede LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) desde a primeira detecção, pelo LIGO, de ondas gravitacionais emanando de pares de buracos negros em colisão. Crédito: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

Uma das principais razões para isso é que a relatividade geral deixa de ser válida na escala do minúsculo. O mundo dos átomos e moléculas é quântico, mas a relatividade geral é uma teoria clássica. O que precisamos é de uma teoria quântica da gravidade. Existem muitos modelos propostos para a gravidade quântica, mas eles frequentemente assumem modelos alternativos de gravidade. Teorias que fornecem os mesmos resultados que a relatividade geral para interações gravitacionais fracas, mas que divergem da relatividade geral em campos gravitacionais fortes. As previsões desses modelos alternativos têm sido impossíveis de testar com as observações atuais. Mas isso está começando a mudar, como demonstra uma série recente de artigos. 

Os três artigos analisam dados da quarta campanha de detecções de fusões de buracos negros pelo LIGO-Virgo-KAGRA, o conjunto de observações mais recente e avançado. O primeiro artigo compara os dados com a relatividade geral para verificar sua consistência. O segundo examina os chamados parâmetros pós-newtonianos, uma forma de identificar desvios da relatividade geral. O terceiro artigo analisa especificamente os dados do "apagamento" (ringdown), quando o buraco negro recém-fundido se estabiliza em seu novo estado. 

Como era de se esperar, todos os resultados corroboram a relatividade geral. O primeiro estudo constatou que, dentro dos limites da observação, a relatividade geral se ajusta perfeitamente aos dados. Não há necessidade de um modelo alternativo. Existem modelos gravitacionais alternativos que também se ajustam aos dados, mas não temos motivos para presumir que estejam corretos. 

O segundo artigo restringiu ainda mais os modelos alternativos. Na abordagem pós-newtoniana, analisa-se como as observações se desviam da gravidade newtoniana ajustando um conjunto de parâmetros. Quanto mais parâmetros puderem ser ajustados aos dados, mais preciso será o modelo. Os dados da fusão são precisos o suficiente para analisar os parâmetros de dipolo e quadrupolo e não encontraram desvios da relatividade geral. Isso significa que qualquer modelo alternativo que preveja, por exemplo, um desvio no quadrupolo, é descartado. 

Curiosamente, como as aproximações pós-newtonianas da gravidade podem ser quantizadas, este segundo artigo também fornece um novo limite experimental para a massa dos grávitons. Com base na relatividade geral e na teoria quântica básica, os grávitons deveriam ser sem massa, assim como os fótons. Este novo trabalho prova que a massa do gráviton deve ser menor que 2 x 10⁻²³ eV /c² . Em comparação, na física de partículas, o limite superior da massa do fóton é de 10⁻¹⁸ eV/ c² . 

O terceiro artigo focou na previsão de algumas teorias alternativas de que a fusão de buracos negros poderia criar ecos gravitacionais. Ou seja, após as ondas gravitacionais da fusão se dissiparem, deveria haver uma segunda explosão de ondas gravitacionais. Esses ecos são impossíveis sob a relatividade geral, portanto, detectá-los provaria que a RG é incompleta. Os autores não encontraram evidências de ecos gravitacionais e, consequentemente, nenhuma evidência para modelos gravitacionais alternativos. 

Esses resultados não são surpreendentes, considerando o forte apoio que experimentos anteriores têm dado à Relatividade Geral. Mas a grande novidade aqui não é que tenhamos provado que Einstein estava certo mais uma vez. O ponto crucial desses estudos é que agora temos dados de ondas gravitacionais com qualidade suficiente para testar a Relatividade Geral. Podemos agora testar como o espaço e o tempo se comportam nas regiões dos buracos negros. Tudo isso com apenas uma década de observações. As próximas décadas da astronomia de ondas gravitacionais finalmente nos fornecerão o tipo de dado necessário para explorarmos verdadeiramente os limites da gravidade.

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