Cataclismo cósmico corrobora mais uma vez a Teoria da Relatividade Geral

Em 2019, os telescópios MAGIC detectaram a primeira Explosão de Raios Gama a energias muito altas. Essa foi a mais intensa radiação gama já obtida de um objeto cósmico. Mas além do impressionante evento, os dados oriundos da detecção permitiram, mais uma vez, corroborar a Teoria da Relatividade Geral em termos de um dos seus princípios fundamentais, a invariância de Lorentz. Em outras palavras, como princípio fundamental da Relatividade Geral, a detecção gama permitiu mais uma vez mostrar que a velocidade da luz no vácuo (~300000 km/s) é constante independentemente da energia considerada. O achado foi descrito esta semana no periódico Physical Review Letters (1).

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A Teoria da Relatividade Geral é uma das mais marcantes e importantes teorias do século XX, elaborada e publicada em 1915 pelo brilhante Físico Albert Einstein e cuja estrutura se apoiou em trabalhos anteriores realizados por Albert A. Michelson, Hendrik Lorentz, Henri Poincaré, Max Planck, Hermann Minkowski, entre outros notáveis cientistas. Essa Teoria veio para complementar outro trabalho prévio de Einstein - a Teoria da Relatividade Especial - creditada de forma independente também ao Físico Henri Poincaré -, e a qual não aborda a gravidade (I). A Relatividade Geral explica como massa e energia interagem com o espaço-tempo, criando o fenômeno da gravidade. As teorias da Relatividade Especial e Geral têm sido exaustivamente testadas desde o início do XX em diferentes experimentos envolvendo diferentes escalas, e continuam sendo validadas teste após teste. 

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(I) Para mais informações, acesse: O que é a Teoria da Relatividade Especial e Geral 

No entanto, enquanto que a Relatividade Especial entra em total concordância com a Teoria Quântica, a Relatividade Geral não consegue se conciliar com o modelo Quântico. Nesse sentido, mesmo com os testes de validação ficando cada vez mais precisos, os Físicos suspeitam que existe alguma brecha teórica na Relatividade Geral. A Teoria Quântica e a gravidade são esperadas de se fundirem ao redor da energia de Planck (EPl ≈ 1.22 × 10^19 GeV) para formar uma teoria ainda não conhecida da Gravidade Quântica. Alguns candidatos teóricos predizem que existiria uma violação de deformação afetando a simetria de Lorentz, também conhecida como violação da invariância de Lorentz (LIV).

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Minúsculos efeitos de LIV podem já ser visíveis a energias muitos menores do que a energia de Planck. Uma das manifestações da LIV pode ser parametrizada como correções energia-dependentes para a seguinte relação matemática de dispersão de fótons no vácuo:

onde E e p são a energia e o momento do fóton (partícula-onda constituinte das radiações eletromagnéticas/luz), respectivamente, EQG;n representa a escala da energia da Gravidade Quântica (QG), e s é um fator teoria-dependente assumindo valores +1 ou -1. Uma das consequências dessa relação é a velocidade de fóton (vγ) no vácuo que se torna dependente da energia associada, como pode ser visto na equação derivada abaixo: 

Em outras palavras, dependendo da energia envolvida, apareceria um atraso de tempo entre fótons originários de uma mesma fonte no vácuo, porque a velocidade entre eles iria mudar. Essa possível violação em relação à predição da Relatividade Geral pode ser testada justamente com a ajuda de raios gama de ultra-energia emitidos no espaço e oriundos de explosões cósmicas distantes. Essas 'explosões de raio gama' são sinais altamente variáveis constituídos de fótons e extremamente energéticos. Os fótons de maior energia são esperados de ser mais influenciados pelos efeitos da Gravidade Quântica, e as explosões de raios gama ainda têm um diferencial que potencializa o efeito: viajam bilhões de anos antes de alcançarem a Terra.

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No novo estudo, os cientistas realizaram múltiplas análises da detecção de uma explosão de raios gama (GRB190114C) no telescópio terrestre MAGIC que ocorreu no dia 14 de janeiro de 2019. Os fótons associados possuíam energias absurdas, em tetraeletronvolts (TeV, 1000 bilhões de vezes mais energético do que os fótons associados à luz visível), ou seja, de longe os fótons mais energéticos já observados (>0,2 TeV). Com o auxílio de modelos teóricos de emissões temporal e espectral intrínsecas, os pesquisadores buscaram identificar fótons associados a diferentes escalas de energia - incluindo os mais energéticos - que foram emitidos simultaneamente da mesma fonte. Após efetiva identificação, eles buscaram por atrasos de detecção que poderiam indicar mudanças energia-dependentes de velocidade desses fótons no vácuo. 

Os pesquisadores não conseguiram identificar nenhum atraso energia-dependente e, portanto, nenhuma LIV. Em outras palavras, a Relatividade Geral ainda continua inabalável e a Gravidade Quântica ainda inconsolável. Por outro lado, apesar do estudo ter sido o mais rigoroso teste para a validação da invariância de Lorentz, os autores reforçaram que ainda assim houve limitações de sensibilidade e que trabalhos futuros mais precisos serão necessários para testes ainda mais rigorosos. 

(1) Publicação do estudo: PRL