É um momento emocionante para os campos da astronomia, astrofísica e cosmologia. Graças a observatórios, instrumentos e novas técnicas de ponta, os cientistas estão cada vez mais perto de verificar experimentalmente teorias que permanecem em grande parte não testadas. Estas teorias abordam algumas das questões mais prementes que os cientistas têm sobre o Universo e as leis físicas que o regem – como a natureza da gravidade, da matéria escura e da energia escura. Durante décadas, os cientistas postularam que ou há física adicional em acção ou que o nosso modelo cosmológico predominante precisa de ser revisto.
Embora a investigação sobre a existência e a natureza da Matéria Escura e da Energia Escura esteja em andamento, também há tentativas de resolver esses mistérios com a possível existência de uma nova física. Em um artigo recente, uma equipe de pesquisadores da NASA propôs como a espaçonave poderia procurar evidências físicas adicionais em nossos Sistemas Solares. Esta busca, argumentam eles, seria auxiliada pela espaçonave voando em formação tetraédrica e usando interferômetros. Tal missão poderia ajudar a resolver um mistério cosmológico que tem escapado aos cientistas há mais de meio século.
A proposta é o trabalho de Slava G. Turyshev, professor adjunto de física e astronomia na Universidade da Califórnia em Los Angeles (UCLA) e cientista pesquisador do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA. Ele foi acompanhado por Sheng-wey Chiowum físico experimental da NASA JPL, e Nan Yu, professor adjunto da Universidade da Carolina do Sul e cientista pesquisador sênior do JPL da NASA. Seu artigo de pesquisa apareceu recentemente on-line e foi aceito para publicação em Revisão Física D.
A experiência de Turyshev inclui ser um Laboratório de Recuperação de Gravidade e Interior (GRAIL) membro da equipe de ciência missionária. Em trabalhos anteriores, Turyshev e seus colegas investigaram como uma missão às lentes gravitacionais solares (SGL) do Sol poderia revolucionar a astronomia. O documento conceitual foi premiado com um Subvenção Fase III em 2020 pelo programa Innovative Advanced Concepts (NIAC) da NASA. Num estudo anterior, ele e o astrônomo do SETI Claudio Maccone também consideraram como civilizações avançadas poderiam usar SGLs para transmitir energia de um sistema solar para outro.
Para resumir, as lentes gravitacionais são um fenômeno onde os campos gravitacionais alteram a curvatura do espaço-tempo em sua vizinhança. Este efeito foi originalmente previsto por Einstein em 1916 e foi usado por Arthur Eddington em 1919 para confirmar sua Relatividade Geral (GR). No entanto, entre as décadas de 1960 e 1990, as observações das curvas rotacionais das galáxias e da expansão do Universo deram origem a novas teorias sobre a natureza da gravidade em escalas cósmicas maiores. Por um lado, os cientistas postularam a existência de Matéria Escura e Energia Escura para conciliar as suas observações com a GR.
Por outro lado, os cientistas desenvolveram teorias alternativas da gravidade (como Dinâmica Newtoniana Modificada (MOND), Gravidade Modificada (MOG), etc.). Enquanto isso, outros sugeriram que pode haver física adicional no cosmos da qual ainda não temos conhecimento. Como Turyshev disse ao Universe Today por e-mail:
“Estamos ansiosos para explorar questões que cercam os mistérios da energia escura e da matéria escura. Apesar da sua descoberta no século passado, as suas causas subjacentes permanecem indefinidas. Se estas ‘anomalias’ resultarem de uma nova física – fenómenos ainda a serem observados em laboratórios terrestres ou aceleradores de partículas – é possível que esta nova força se possa manifestar à escala do sistema solar.”
No seu último estudo, Turyshev e os seus colegas investigaram como uma série de naves espaciais voando numa formação tetraédrica poderia investigar o campo gravitacional do Sol. Estas investigações, disse Turyshev, procurariam desvios das previsões da relatividade geral à escala do Sistema Solar, algo que não foi possível até à data:
“Supõe-se que esses desvios se manifestem como elementos diferentes de zero no tensor de gradiente de gravidade (GGT), fundamentalmente semelhante a uma solução da equação de Poisson. Devido à sua natureza minúscula, a detecção destes desvios exige uma precisão que ultrapassa em muito as capacidades actuais – em pelo menos cinco ordens de grandeza. Com um nível de precisão tão elevado, vários efeitos bem conhecidos introduzirão ruído significativo. A estratégia envolve a realização de medições diferenciais para negar o impacto de forças conhecidas, revelando assim as contribuições sutis, embora diferentes de zero, para o GGT.”
A missão, disse Turyshev, empregaria técnicas de medição locais que dependem de uma série de interferômetros. Isso inclui alcance de laser interferométrico, uma técnica demonstrada pelo Recuperação Gravitacional e Acompanhamento de Experimentos Climáticos (GRACE-FO), um par de espaçonaves que depende de telégrafo a laser para rastrear os oceanos, geleiras, rios e águas superficiais da Terra. A mesma técnica também será usada para investigar ondas gravitacionais pela proposta baseada no espaço Antena Espacial de Interferometria Laser (LISA).
A espaçonave também será equipada com interferômetros atômicos, que utilizam o aceno caráter dos átomos para medir a diferença de fase entre ondas de matéria atômica ao longo de diferentes caminhos. Esta técnica permitirá à espaçonave detectar a presença de ruído não gravitacional (atividade do propulsor, pressão da radiação solar, forças de recuo térmico, etc.) e negá-los na medida necessária. Entretanto, voar numa formação tetraédrica optimizará a capacidade da sonda de comparar medições.
“O alcance do laser nos oferecerá dados altamente precisos sobre as distâncias e velocidades relativas entre as espaçonaves”, disse Turyshev. “Além disso, a sua precisão excepcional permitir-nos-á medir a rotação de uma formação de tetraedro em relação a um referencial inercial (através dos observáveis de Sagnac), uma tarefa inatingível por qualquer outro meio. Consequentemente, isto estabelecerá uma formação tetraédrica aproveitando um conjunto de medições locais.”
Em última análise, esta missão testará a GR na menor das escalas, o que tem faltado até agora. Embora os cientistas continuem a investigar o efeito dos campos gravitacionais no espaço-tempo, estes têm-se limitado em grande parte à utilização de galáxias e aglomerados de galáxias como lentes. Outros exemplos incluem observações de objetos compactos (como estrelas anãs brancas) e buracos negros supermassivos (SMBH) como Sagitário A* – que reside no centro da Via Láctea.
“Nosso objetivo é aumentar a precisão dos testes de GR e teorias gravitacionais alternativas em mais de cinco ordens de magnitude. Além deste objetivo principal, nossa missão tem objetivos científicos adicionais, que detalharemos em nosso artigo subsequente. Isso inclui testar GR e outras teorias gravitacionais, detectar ondas gravitacionais na faixa de micro-Hertz – um espectro não alcançável por instrumentos existentes ou previstos – e explorar aspectos do sistema solar, como o hipotético Planeta 9, entre outros empreendimentos.”
Leitura adicional: Revisão Física D
