Apesar de mais de um século de esforços para provar o contrário, parece que Albert Einstein continua incontestável. Pelo menos no caso de sua teoria da relatividade especial, que prevê que o tempo passa mais devagar para objetos em velocidades extremamente altas. Esse efeito, chamado de dilatação do tempo, aumenta em intensidade à medida que algo se aproxima da velocidade da luz, mas é estranhamente subjetivo: um passageiro em uma nave estelar acelerada perceberia o tempo passando normalmente, mas observadores externos veriam a nave se movendo cada vez mais devagar conforme sua velocidade se aproximasse da luz.
Por mais contraintuitivo que seja, esse efeito já foi verificado e confirmado nos movimentos de tudo, desde satélites em órbita terrestre até galáxias distantes. Agora, um grupo de cientistas deu um passo adiante nesses testes ao observar mais de 1.500 supernovas pelo universo, revelando os efeitos da dilatação do tempo em uma escala cósmica impressionante. As conclusões dos pesquisadores chegam, mais uma vez, a um resultado familiar. “Einstein está certo mais uma vez”, diz Geraint Lewis, da Universidade de Sydney, coautor do estudo.
No artigo publicado no início deste mês no servidor de pré-impressão arXiv.org, Ryan White, da Universidade de Queensland, na Austrália, e seus colegas usaram dados do Dark Energy Survey (DES) para investigar a dilatação do tempo.
Nos últimos dez anos, pesquisadores envolvidos no DES usaram o Telescópio Victor M. Blanco no Observatório Interamericano de Cerro Tololo, no Chile, para estudar estrelas em explosão específicas chamadas supernovas Tipo 1a ao longo de bilhões de anos da história cósmica. Utilizando esse vasto conjunto de dados de supernovas, o DES busca aprimorar nossa compreensão da expansão acelerada do universo, que parece ser impulsionada pela misteriosa energia escura; em janeiro, pesquisadores usaram esse conjunto de dados para sugerir que essa aceleração pode estar mudando ao longo do tempo.
Como um bônus, os dados de supernovas do DES ofereceram aos cientistas uma nova oportunidade para estudar a dilatação do tempo cosmológica — isto é, a dilatação do tempo causada pela expansão do universo.
Um resultado dessa expansão é que objetos mais distantes estão se afastando de nós muito mais rapidamente do que os mais próximos — o que significa que quanto mais longe no universo o DES olhava, mais forte deveria ser o efeito da dilatação do tempo sobre as supernovas observadas ali. “Se víssemos algo diferente, isso mostraria que há algo fundamentalmente errado com a base da cosmologia”, diz Tamara Davis, da Universidade de Queensland, coautora do artigo. “Adoro o fato de podermos realmente ver a dilatação do tempo acontecendo. É cegantemente óbvio desde o momento em que você olha para os dados que está lá.”
A relação em si é belamente simples: a quantidade de elongamento do característico clarão e desvanecimento de uma supernova é um fator de 1 + z, onde z é o redshift da supernova, uma medida de quanto a expansão cósmica esticou a luz emitida pela supernova enquanto viajava para a Terra. Redshifts mais altos correspondem a maiores distâncias cósmicas. “Vivemos em um universo em expansão, e uma das consequências disso é que observamos o universo mais distante funcionando em câmera lenta em comparação com o universo de hoje”, diz Lewis.
Para objetos no universo próximo, onde os redshifts são próximos de zero, o efeito da dilatação do tempo cosmológica é praticamente nulo. Mas o universo é enorme — o Telescópio Espacial James Webb (JWST), por exemplo, detectou recentemente uma galáxia distante com um redshift recorde de 14,32, apenas 290 milhões de anos após o Big Bang. Normalmente, do seu primeiro surto até seu brilho final, uma supernova pode durar cerca de três meses, mas quando a dilatação do tempo entra em jogo, uma supernova com um redshift de 1 parecerá durar o dobro do tempo.
A dilatação do tempo cosmológica é conhecida há muito tempo, mas medi-la é difícil. Alguns dos nossos melhores esforços têm cronometrado explosões de raios gama, flashes de energia extraordinariamente brilhantes vistos pelo universo, ou quasares, regiões brilhantes e quentes de material em turbilhão ao redor de buracos negros supermassivos.
No ano passado, Lewis usou cerca de 200 quasares para investigar a dilatação do tempo cosmológica, e ele quase conseguiu ver essa exata relação de 1 + z em ação, mas com algumas incertezas grandes. O trabalho de White, usando uma amostra muito maior de supernovas que são mais previsíveis do que quasares, permitiu uma medição muito mais precisa.
Supernovas Tipo 1a são explosões cósmicas fundamentais causadas quando uma anã branca — o cadáver em resfriamento lento de uma estrela de tamanho médio — suga tanto material de um companheiro que inicia uma reação termonuclear e explode. Essa explosão ocorre uma vez que a anã branca em crescimento atinge cerca de 1,44 vezes a massa do nosso sol, um limite conhecido como limite de Chandrasekhar. Essa base física confere a todas as supernovas Tipo 1a um brilho bastante consistente, tornando-as úteis faróis cósmicos para medir distâncias intergalácticas.
“Elas devem ser essencialmente o mesmo tipo de evento, não importa onde você olhe no universo”, diz White. “Elas todas vêm de estrelas anãs brancas explodindo, o que acontece em quase exatamente a mesma massa, não importa onde estejam.”
A constância dessas supernovas em todo o universo observável é o que as torna sondas potentes da dilatação do tempo — nada mais, em princípio, deveria desacelerar tão radical e precisamente sua progressão aparente em sintonia com distâncias cada vez maiores. Utilizando o conjunto de dados de 1.504 supernovas do DES, o artigo de White mostra com precisão impressionante que essa correlação se mantém verdadeira até um redshift de 1,2, uma época em que o universo tinha cerca de cinco bilhões de anos.
“Esta é a medição mais precisa” da dilatação do tempo cosmológica até agora, diz White, até sete vezes mais precisa do que medições anteriores de dilatação do tempo cosmológica que usaram menos supernovas.
O resultado é “realmente impressionante”, diz Amitesh Singh, da Universidade do Mississippi, observando que medir a dilatação do tempo é “uma das evidências mais diretas da expansão do universo.” Fazer essa medição não é em si um resultado revolucionário, no entanto, dado que poucos, se é que algum, cosmólogos respeitáveis argumentariam que o universo não está se expandindo ou que a relatividade especial está errada.
“Não estou tentando ser cínico quando digo que não é surpreendente”, diz Nicole Lloyd-Ronning, da Universidade do Novo México-Los Alamos. Mas, ela acrescenta, “é uma confirmação da física que acreditamos conhecer. Esta é uma manifestação da relatividade especial e da expansão cósmica em geral.”
A dilatação do tempo, no entanto, apresenta alguns dilemas interessantes, particularmente com estudos do universo distante. Recentemente, o JWST revelou supernovas se estendendo até o cosmos distante, incluindo uma supernova Tipo 1a em um redshift de 2,9, ou cerca de dois bilhões de anos após o Big Bang, a mais distante já vista.
Por causa da dilatação do tempo, “em um redshift de 2, você multiplica por 3”, diz Ori Fox, astrônomo do Space Telescope Science Institute. Isso significa que eventos em um redshift de 2 durariam “talvez de nove meses a um ano” vistos da Terra, diz ele. Mas em redshifts muito mais altos, “você está falando de escalas de tempo de anos”, diz Fox, o que torna supernovas no universo ainda mais precoce difíceis de detectar, pois os astrônomos as buscam ao comparar imagens de antes e depois de galáxias potencialmente hospedeiras de supernovas. “Se você está em um redshift de 10, agora você está falando de um mínimo de quatro anos” para ver uma supernova aparecer e desaparecer, diz ele.
Essa faceta específica do Dark Energy Survey focada em supernovas já concluiu, então até que um novo conjunto de dados seja obtido, a medição da dilatação do tempo cosmológica de White é improvável de ser superada. “É uma medição bastante definitiva”, diz Davis. “Você realmente não precisa fazer melhor.” Com essa medição em mãos, qualquer pessoa preocupada com nossa suposta ignorância cósmica pode ficar tranquila: nossa melhor teoria descrevendo o cosmos em grande escala parece estar se mantendo — o que não significa, claro, que não deveríamos ter verificado. “Uma das suposições é que vivemos em um universo descrito pelas equações de Einstein”, diz Lewis. “Não podemos simplesmente dizer isso e não fazer nada. Precisamos testar nossas suposições.”
