Será que a teoria de Einstein só vale na escala do Sistema Solar?

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/11/2024

Os dados são preliminares, mas indicam que as equações de Einstein podem não ter validade universal. A propósito, será que a força da gravidade pode existir sem massa?
[Imagem: Gerado por IA/DALL-E]

Alcance das teorias de Einstein

Um trio de físicos das universidades de Genebra (Suíça) e Paul Sabatier (França) encontrou uma discrepância entre as equações da Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein e os dados coletados pelo projeto Rastreio da Energia Escura, ou DES (Dark Energy Survey), observações astronômicas que estão mapeando centenas de milhões de galáxias.

O trio descobriu uma discrepância ainda pequena, mas significativa, que varia em diferentes períodos na história cósmica, o que contesta a validade das teorias de Einstein para explicar fenômenos além do nosso Sistema Solar, em uma escala universal.

De acordo com a teoria de Einstein, o Universo é deformado pela matéria, como uma grande folha flexível. Essas deformações, causadas pela gravidade dos corpos celestes, são chamadas de poços gravitacionais. Quando a luz passa por essa estrutura irregular do espaço-tempo, sua trajetória é curvada por esses poços, semelhante ao efeito de uma lente de vidro. No entanto, neste caso, é a gravidade, não o vidro, que curva a luz. Esse fenômeno é conhecido como lente gravitacional.

Observar esse fenômeno não apenas nos permite enxergar corpos celestes por detrás de outros, já que a luz faz uma curva, permitindo ver o que está escondido, como também fornece informações cruciais sobre os componentes, a história e a expansão do Universo.

Foi uma medição dessas, feita durante um eclipse solar em 1919, que confirmou a teoria de Einstein - a previsão de Einstein apontava uma deflexão da luz duas vezes maior que a prevista pela gravitação clássica de Isaac Newton. Essa diferença surge da introdução de um novo elemento-chave por Einstein: A deformação do tempo, além da deformação do espaço, para atingir a curvatura exata da luz.

Mas um eclipse solar visto da Terra é algo pequeno demais em termos cósmicos. E é aí que as coisas começam a se complicar.

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As previsões feitas pela Relatividade Geral não batem com os dados em diferentes marcos temporais.
[Imagem: Isaac Tutusaus et al. - 10.1038/s41467-024-53363-6]

Leis físicas variáveis

A questão sobre se as equações da Relatividade Geral mantêm-se válidas nos confins do Universo é antiga, sendo explorada por muitos cientistas, que se voltam para o lado observacional, tentando quantificar a densidade da matéria no cosmos e entender a aceleração de sua expansão.

O projeto DES é um desses esforços.

"Até agora, os dados do Rastreio da Energia Escura foram usados para medir a distribuição de matéria no Universo. Em nosso estudo, usamos esses dados para medir diretamente a distorção do tempo e do espaço, o que nos permitiu comparar nossas descobertas com as previsões de Einstein," conta a professora Camille Bonvin, coordenadora deste novo trabalho.

Os dados permitem olhar profundamente para o espaço e, portanto, para o passado distante. A equipe analisou 100 milhões de galáxias em quatro pontos diferentes na história do Universo: 3,5, 5, 6 e 7 bilhões de anos atrás. Essas medições revelaram como os poços gravitacionais evoluíram ao longo do tempo, cobrindo mais da metade da história do cosmos.

"Nós descobrimos que no passado distante - 6 e 7 bilhões de anos atrás - a profundidade dos poços se alinha bem com as previsões de Einstein. No entanto, mais perto de hoje, 3,5 e 5 bilhões de anos atrás, eles são ligeiramente mais rasos do que o previsto por Einstein," contou Isaac Tutusaus, membro da equipe.

E foi também durante esse período, mais próximo de hoje, que a expansão do Universo começou a acelerar.

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O telescópio espacial Euclides promete dizer se nossa visão do Universo está ultrapassada.
[Imagem: ESA/Euclides/NASA-ESA-S. Beckwith (STScI)-HUDF]

Validade limitada da Relatividade

Para resolver essa discrepância entre os dados observacionais e as equações, os pesquisadores estão dando suporte a uma ideia que promete dar o que falar: Talvez as equações de Einstein só tenham validade em escalas menores, e não no Universo inteiro.

Ou seja, a resposta para dois fenômenos - a aceleração do Universo e o crescimento mais lento dos poços gravitacionais - pode ser a mesma: A força da gravidade pode funcionar sob diferentes leis físicas em escalas maiores do que aquelas previstas por Einstein. O que também equivale a dizer que as leis da física variam ao longo do Universo.

"Nossos resultados mostram que as previsões de Einstein têm uma incompatibilidade de 3 sigmas com as medições. Na linguagem da física, tal limiar de incompatibilidade desperta nosso interesse e exige mais investigações. Mas essa incompatibilidade não é grande o suficiente, neste estágio, para invalidar a teoria de Einstein. Para que isso aconteça, precisaríamos atingir um limiar de 5 sigmas. Portanto, é essencial ter medições mais precisas para confirmar ou refutar esses resultados iniciais e descobrir se essa teoria permanece válida em nosso Universo, a distâncias muito grandes," contextualizou Nastassia Grimm, membro da equipe.

Em busca de aumentar a confiabilidade de sua análise, a equipe está se preparando para analisar novos dados do telescópio espacial Euclides, lançado há um ano. À medida que o Euclides observa o Universo, suas medições das lentes gravitacionais serão significativamente mais precisas.

Além disso, espera-se que o novo telescópio espacial observe cerca de 1,5 bilhão de galáxias nos seis anos de duração previstos para sua missão. Isso permitirá medições mais precisas de distorções do espaço-tempo, permitindo olhar mais para trás no tempo e, finalmente, testar se as equações de Einstein são mais terráqueas do que cósmicas.

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