Relatividade Geral: O Teste da Gravity Probe B

No início do mês de maio de 2011, foram publicados resultados obtidos com dados da sonda Gravity Probe B, que levou ao espaço um experimento para testar a Teoria da Relatividade Geral, de Einstein. Mais especificamente, o experimento buscava testar dois efeitos previstos pela teoria, a distorção e um arrasto do espaço (respectivamente, geodetic effect e frame-dragging, em inglês). O primeiro efeito é causado pela distribuição de massa, como o afundamento de um colchão quando você deita sobre ele. O segundo é provocado pelo movimento da massa, como o café com leite que gira ao redor da colher quando você a faz se movimentar.

A Teoria da Relatividade Geral diz que o espaço e o tempo não são entidades independentes, mas formam um meio que chamamos hoje de espaço-tempo. A teoria diz ainda que o espaço-tempo é distorcido, ou perturbado, pela presença de massa, ou seja, o espaço e o tempo são alterados por corpos com massa. Quanto mais massa, maiores efeitos são percebidos.

Representação da distorção do espaço-tempo ao redor da Terra.

Representação do pequeno arrasto, ou deslocamento, provocado no espaço-tempo pela rotação da Terra.

Antes da Gravity Probe B, como é de se esperar, houve uma Gravity Probe A, lançada em 18 de junho de 1976. Em seu interior, havia um complexo dispositivo chamado maser de hidrogênio, que tinha o objetivo de ser um marcador de tempo altamente preciso. Seria algo como um metrônomo que músicos usam para marcar o tempo durante a execução de uma música. O objetivo da missão era medir a mudança na cadência do tempo com a variação da gravidade, desde a superfície da Terra, até a uma altura de 10.000Km, onde o efeito da gravidade é consideravelmente menor. A teoria dizia que a gravidade aumenta o intervalo de tempo, ou seja, os relógios passam mais rápido quando estão sob menor influência gravitacional. Os resultados confirmaram isso, e toda missão durou apenas 1 hora e 55 minutos.

Uma das quatro bolinhas mais perfeitas já construídas na Terra.

Enquanto a Gravity Probe A lidou com o aspecto da distorção do tempo, sua sucessora, Gravity Probe B, lidou com a distorção do espaço. Lançada em 20 de abril de 2004, a missão consistiu em um satélite que carregaria consigo quatro giroscópios construídos com as esferas mais perfeitas já produzidas pelo homem. Cada esfera executava uma ininterrupta rotação, sendo que o eixo de rotação deveria estar sempre apontado para uma distante estrela de referência. A estrela escolhida foi a IM Pegasi, ou HR8703, na constelação de Pegasus, e a cerca de 300 anos-luz de nós. Essa estrela tem uma magnitude visual de 5,65, quase no limite da visão humana, mas ainda visível a olho nu. Trata-se de um sistema binário (duas estrelas orbitando um centro de massa comum), e as razões para essa escolha foram sua posição próxima ao equador celeste, ser brilhante o suficiente para ser observada pelo telescópio da missão e seu brilho utilizado como referência, e por seu movimento ser bem conhecido, devido a ser esse sistema uma forte fonte de ondas de rádio.

A distorção do espaço provocada pela distribuição de massa da Terra faria o eixo da bolinha variar 6,6 segundos de arco em um ano. Isso equivale a 0,0018 graus. Para se ter uma ideia da pequenez dessa variação, considere que o tamanho da Lua Cheia, ou do Sol, vistos da Terra é de cerca 0,5 graus. Se você pegar o tamanho do diâmetro da Lua Cheia e dividir em 278 partes iguais, uma dessas partes equivale à variação esperada para o giroscópio em um ano orbitando a Terra. Se você acha isso uma precisão alta, leia mais abaixo…

O efeito de arrasto provocado pela rotação da Terra era previsto pela teoria como cerca de 0,041 segundos de arco, ou 0,00001 graus. Isso é equivalente a uma parte do diâmetro do disco lunar no céu dividido em 50.000 partes. Pois é, bem menor que o efeito da distorção do espaço pela distribuição de massa da Terra. Ainda não é a maior precisão de dados envolvida na missão.

Ambos os efeitos foram detectados por variação na inclinação do eixo de rotação das bolinhas dos giroscópios. O efeito de arrasto do espaço deveria ser detectado com uma variação da inclinação em relação ao plano do eixo de rotação da Terra, perpendicular ao seu plano de órbita (note que o eixo de rotação da Terra não é perpendicular ao plano da órbita, mas o plano onde está esse eixo é). O feito da distorção pela distribuição de massa seria detectado perpendicularmente. Dessa forma, cada gisroscópio poderia medir ambos efeitos, como na ilustração abaixo.

Os efeitos relativísticos foram detectados ortogonalmente.

As partes mais importantes do aparato, como as bolinhas dos giroscópios e o telescópio, foram construídas com quartzo, que apresenta pouca variação de tamanho sib mudança de temperatura. Segundo um release publicado pela NASA em fevereiro de 2005, se as bolinhas dos giroscópios fossem ampliadas até o tamanho da Terra, não haveria qualquer saliência (vales ou montanhas) com mais de 2,4 metros. A necessidade da construção de esferas tão perfeitas foi para minimizar qualquer alteração no eixo de rotação que não fosse devido aos efeitos relativísticos. Segundo o mesmo release, os equipamentos da Gravity probe B eram capazes de detectar uma variação na orientação dos eixos de 0,0005 segundos de arco, o equivalente a espessura de um cabelo humano visto a 32 quilômetros, ou a uma parte do diâmetro do disco da Lua Cheia dividido em 3.600.000 partes.

Os resultados da Gravity Probe B foram altamente satisfatórios e, sem dúvida, a missão pode ser festejada por Físicos e Astrônomos. Esse foi o primeiro teste do efeito de arraste do espaço, mas o efeito da distorção por distribuição de massa já foi verificado em diversas observações astronômicas. E, sobretudo, nos lembremos também que o primeiro teste da Teoria da Relatividade Geral foi feito com fotos do céu  obtidas no Brasil, na cidade de Sobral, no Ceará, e em Principe, em 1919.

Esse pot foi também publicado no blog astronomia.blog.br.