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Cataclismo cósmico permite teste preciso da relatividade geral
O GR foi testado e testado novamente em várias situações físicas e em muitas escalas diferentes e, postulando que a velocidade da luz é constante, sempre se previa de maneira excepcional os resultados experimentais.
Por Max Planck Society - 09/07/2020


Impressão artística de uma explosão de raios gama observada pelo sistema de telescópio MAGIC e observatórios de satélite. Crédito: Superbossa.com e Alice Donini

Em 2019, os telescópios MAGIC detectaram o primeiro raio gama estourado com energias muito altas. Essa foi a radiação gama mais intensa já obtida de um objeto tão cósmico. Mas os dados do GRB têm mais a oferecer: com análises adicionais, os cientistas do MAGIC agora podem confirmar que a velocidade da luz é constante no vácuo - e não depende de energia. Assim, como muitos outros testes, os dados da GRB também corroboram a teoria da relatividade geral de Einstein. O estudo já foi publicado em Physical Review Letters .

A relatividade geral de Einstein (GR) é uma bela teoria que explica como massa e energia interagem com o espaço-tempo , criando um fenômeno conhecido como gravidade. O GR foi testado e testado novamente em várias situações físicas e em muitas escalas diferentes e, postulando que a velocidade da luz é constante, sempre se previa de maneira excepcional os resultados experimentais. No entanto, os físicos suspeitam que o GR não seja a teoria mais fundamental e que possa existir uma descrição mecânica quântica subjacente da gravidade, conhecida como gravidade quântica (QG).

Algumas teorias de QG consideram que a velocidade da luz pode depender da energia. Esse fenômeno hipotético é chamado de violação de invariância de Lorentz (LIV). Pensa-se que seus efeitos são muito pequenos para serem medidos, a menos que sejam acumulados por um período muito longo. Então, como conseguir isso? Uma solução é usar sinais de fontes astronômicas de raios gama. Explosões de raios gama (GRBs) são explosões cósmicas poderosas e distantes, que emitem sinais altamente variáveis ​​e extremamente energéticos. São, portanto, excelentes laboratórios para testes experimentais de QG. Espera-se que os fótons com maior energia sejam mais influenciados pelos efeitos do QG, e deve haver muitos; estes viajam bilhões de anos antes de chegar à Terra, o que aumenta o efeito.

GRBs são detectados diariamente com detectores de satélite, que observam grandes porções do céu, mas com energias mais baixas do que os telescópios terrestres como o MAGIC. Em 14 de janeiro de 2019, o sistema de telescópio MAGIC detectou o primeiro GRB no domínio das energias teraelétricas-volts (TeV, 1000 bilhões de vezes mais energético que a luz visível), registrando, portanto, de longe os fótons mais energéticos já observados de um objeto desse tipo. Múltiplas análises foram realizadas para estudar a natureza desse objeto e a radiação de energia muito alta.

Tomislav Terzic, pesquisador da Universidade de Rijeka, diz: "Nenhum estudo de LIV foi realizado com dados de GRB na faixa de energia TeV, simplesmente porque não existiam esses dados até agora. Por mais de vinte anos estávamos prevendo que tal observação poderia aumentar a sensibilidade aos efeitos do LIV, mas não podíamos dizer quanto até ver os resultados finais de nossa análise. Foi um período muito emocionante ".

O sistema de telescópios MAGIC no Observatório Roque de los Muchachos, La Palma,
Ilhas Canárias, Espanha. Crédito: Giovanni Ceribella / Colaboração MAGIC


Naturalmente, os cientistas do MAGIC queriam usar essa observação única para caçar os efeitos da QG. No início, eles enfrentaram um obstáculo: o sinal que foi gravado com os telescópios MAGIC decaiu monotonicamente com o tempo. Embora essa tenha sido uma descoberta interessante para os astrofísicos estudando GRBs, não foi favorável para o teste LIV. Daniel Kerszberg, pesquisador do IFAE em Barcelona, ​​disse: "ao comparar os tempos de chegada de dois raios gama de energias diferentes, supõe-se que eles foram emitidos instantaneamente da fonte. No entanto, nosso conhecimento de processos em objetos astronômicos ainda não é preciso o suficiente. para identificar o tempo de emissão de qualquer fóton. "
 
Tradicionalmente, os astrofísicos dependem de variações reconhecíveis do sinal para restringir o tempo de emissão de fótons. Um sinal que muda monotonicamente não possui esses recursos. Assim, os pesquisadores usaram um modelo teórico, que descreve a emissão esperada de raios gama antes dos telescópios MAGIC começarem a observar. O modelo inclui um rápido aumento do fluxo, o pico de emissão e um decaimento monotônico como o observado pelo MAGIC. Isso proporcionou aos cientistas uma alça para realmente caçar o LIV.

Uma análise cuidadosa não revelou atraso de tempo dependente de energia nos tempos de chegada dos raios gama. Einstein ainda parece manter a linha. "Isso, no entanto, não significa que a equipe do MAGIC tenha ficado de mãos vazias", disse Giacomo D'Amico, pesquisador do Instituto Max Planck de Física, em Munique; "fomos capazes de estabelecer fortes restrições na escala de energia QG". Os limites estabelecidos neste estudo são comparáveis ​​aos melhores limites disponíveis obtidos usando observações GRB com detectores de satélite ou observações terrestres de núcleos galácticos ativos.

Cedric Perennes, pesquisador de pós-doutorado da Universidade de Pádua, acrescentou: "Ficamos todos muito felizes e sentimos o privilégio de poder realizar o primeiro estudo sobre violação de invariância de Lorentz já realizado nos dados de GRB na faixa de energia TeV e abrir a porta" para estudos futuros! "

Em contraste com os trabalhos anteriores, este foi o primeiro teste realizado em um sinal GRB com energia de TeV. Com este estudo seminal, a equipe do MAGIC estabeleceu um ponto de apoio para pesquisas futuras e testes ainda mais rigorosos da teoria de Einstein no século XXI. Oscar Blanch, porta-voz da colaboração MAGIC, concluiu: "Desta vez , observamos um GRB relativamente próximo. Esperamos em breve capturar eventos mais brilhantes e distantes, o que permitiria testes ainda mais sensíveis".

 

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