Satélite MICROSCOPE coloca a relatividade geral de Einstein em teste recorde

A igualdade da massa inercial e gravitacional central para a teoria geral da relatividade de Einstein foi confirmada em sensibilidades sem precedentes pelo satélite MICROSCOPE. Tendo reunido vários milhares de órbitas de dados de acelerômetros de duas massas em queda livre ao redor da Terra, a missão francesa não encontrou nenhuma violação do princípio de equivalência no nível de algumas partes em mil trilhões. Os cientistas da missão dizem que um melhor controle do ruído térmico e outros poderia aumentar a precisão por um fator adicional de 100, permitindo testes de teorias da gravidade quântica.

Desde que foi publicada por Albert Einstein em 1915, a teoria geral da relatividade passou por uma série de testes experimentais com cores voadoras – desde a deflexão da luz das estrelas do Sol até o desvio gravitacional para o vermelho dos relógios atômicos. Mas os físicos consideram a teoria incompleta porque está em desacordo com a mecânica quântica, enquanto os fenômenos da matéria escura e da energia escura permanecem inexplicáveis. Os pesquisadores também gostariam de unificar a gravidade com as outras três interações fundamentais da natureza – o eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca.

Uma maneira de caçar novos portadores de força previstos por teorias alternativas da gravidade é submeter o princípio da equivalência fraca a testes cada vez mais severos. Este princípio afirma que a massa inercial e gravitacional são equivalentes. Portanto, todos os objetos, independentemente de sua massa e composição, devem cair na mesma proporção em um campo gravitacional se não estiverem sujeitos a outras forças – como variações na pressão do ar. (A versão forte do princípio é mais robusta porque também considera os efeitos da autogravitação, que se torna importante para objetos grandes.)

Relação Eötvös

Desde Galileu Galilei, os experimentalistas vêm sondando o princípio da equivalência com sensibilidade crescente. A métrica usada em testes modernos é a razão de Eötvös, que compara as acelerações de duas massas de teste em queda livre e é zero se essas acelerações forem iguais. Em 2008, Eric Adelberger e colegas da Universidade de Washington em Seattle, EUA, usaram uma balança de torção rotativa para obter uma razão Eötvös de zero no nível de cerca de 2 partes em 10¹³. Enquanto dez anos depois, pesquisadores do Observatório de Paris, na França, basearam-se em quase 50 anos de dados de alcance a laser – procurando pequenas variações na órbita da Lua da Terra – e confirmaram o princípio da equivalência com uma precisão de cerca de 7×10^-14.

A ideia por trás do MICROSCOPE era melhorar ainda mais a precisão explorando as virtudes de estar em órbita terrestre – o fato de que as medições podem ser realizadas por longos períodos de tempo e sem interferência terrestre, como ruído sísmico. A missão envolveu monitorar a aceleração relativa de dois cilindros ocos concêntricos feitos de diferentes ligas – um composto de titânio e alumínio e o outro de platina e ródio – enquanto viajavam em queda livre contínua. Ele fez isso usando eletrodos para monitorar quaisquer desvios no movimento dos cilindros e, em seguida, aplicando uma pequena voltagem para endireitar os cilindros – com variações nessa voltagem aplicada fornecendo o sinal para quaisquer violações do princípio de equivalência.

A missão MICROSCOPE de 140 milhões de euros foi lançada em 2016 pela agência espacial francesa CNES em colaboração com pesquisadores da Alemanha, Holanda e Reino Unido. Colocado em uma órbita quase polar com um período de cerca de 1.5 h, o satélite produziu um conjunto de dados inicial – publicado em 2017 – de apenas 120 órbitas. Isso resultou em uma melhoria de aproximadamente ordem de magnitude em relação à sensibilidade então recorde - empurrando a incerteza no valor zero da razão Eötvös para cerca de 2 partes em 10¹⁴.

Muito mais dados

A colaboração MICROSCOPE publicou agora o conjunto de dados completo da missão, adquirido durante o equivalente a cinco meses dentro de sua vida útil de missão de 2.5 anos (o satélite, ainda em órbita, acabará queimando na atmosfera da Terra). Tendo pelo menos uma ordem de magnitude a mais de dados do que há cinco anos, alguns dos quais vieram de uma comparação de referência entre dois cilindros feitos do mesmo material (platina), os pesquisadores conseguiram reduzir a incerteza sobre a razão de Eötvös para cerca de quatro peças em 10¹⁵ – e descobrindo que ainda é zero. Isso não é tão preciso quanto eles esperavam – eles queriam alcançar uma parte em 10¹⁵ – mas, no entanto, representa uma melhoria adicional na precisão em cerca de cinco vezes.

Cientistas não envolvidos com a missão saúdam os novos resultados, embora Anna Nobili da Universidade de Pisa, na Itália, está cético de que a precisão seja tão alta quanto declarada. Ela ressalta que a maior fonte de erro sistemático é o ruído térmico, resultante de gradientes de temperatura criados por variações na luz solar direta e refletida que atinge a espaçonave. Ela observa que com o satélite já em órbita, a única maneira de reduzir os efeitos desse ruído entre os dois lançamentos de dados foi melhorar a modelagem do mesmo. Mas ela acha “não totalmente convincente” que a modelagem poderia ter alcançado a redução necessária – um fator de seis.

No entanto, a Nobili avalia que o MICROSCOPE mostra o “enorme potencial do espaço” para testes de altíssima precisão do princípio da equivalência. Em particular, ela argumenta que a missão demonstra a importância de girar uma espaçonave em altas taxas para aumentar a frequência de qualquer sinal de violação para níveis onde o ruído térmico é conhecido por ser menor. (Ela observa que o satélite deveria girar até cinco vezes sua frequência orbital, mas acabou girando 17.5 vezes mais rápido.)

Mais redução de ruído

Joel Bergé, membro da colaboração do MICROSCOPE, da Université Paris Saclay, diz que ele e seus colegas estão agora trabalhando em uma missão de acompanhamento maior chamada MICROSCOPE 2, que ainda não foi proposta a nenhuma agência espacial, mas que poderia ser lançada “na segunda metade de a década de 2030”. Ele diz que o novo satélite incorporaria várias mudanças para reduzir o ruído, incluindo a substituição de um fio de ouro usado para remover cargas indesejadas da massa de teste por um sistema sem fio envolvendo diodos emissores de luz ultravioleta. Tais mudanças, ele afirma, poderiam reduzir a incerteza de medição para cerca de uma parte em 10¹⁷.

Clifford Will, teórico da Universidade da Flórida, nos Estados Unidos, acredita que a experiência adquirida com a missão inicial dará aos pesquisadores do MICROSCOPE “uma boa base para migrar para a versão 2.0”. Ele diz que é incapaz de julgar a credibilidade de seus 10^-17 incerteza, mas aponta que cientistas da Universidade de Stanford, trabalhando em uma missão proposta conhecida como STEP, argumentaram que atingir esse nível de precisão exigiria que o satélite fosse resfriado a temperaturas criogênicas – algo não previsto para o MICROSCOPE 2.

A pesquisa é descrita em artigos publicados em Physical Review Letters e de um questão especial of Gravidade clássica e quântica.