NASA propõe missão tetraédrica para testar nova física no Sistema Solar

É um período particularmente estimulante para a astronomia, a astrofísica e a cosmologia. Com observatórios, instrumentos e métodos de ponta, os cientistas aproximam-se cada vez mais de validar experimentalmente teorias que, em grande medida, ainda não foram postas à prova.

Estas teorias procuram responder a algumas das questões mais urgentes sobre o Universo e as leis físicas que o regem, incluindo a natureza da gravidade, da Matéria Escura e da Energia Escura. Há décadas que os investigadores defendem que poderá existir física adicional em ação ou que o nosso modelo cosmológico predominante terá de ser revisto.

Embora a pesquisa sobre a existência e a natureza da Matéria Escura e da Energia Escura continue, há também esforços para explicar estes enigmas através da possível existência de nova física.

Num artigo recente, uma equipa de investigadores da NASA apresentou uma proposta para procurar indícios de física adicional no Sistema Solar através de naves espaciais. Segundo defendem, a investigação seria facilitada por naves a voar numa formação tetraédrica e a utilizar interferómetros. Uma missão deste tipo poderia ajudar a solucionar um mistério cosmológico que escapa aos cientistas há mais de meio século.

A proposta foi desenvolvida por Slava G. Turyshev, professor adjunto de física e astronomia na Universidade da Califórnia em Los Angeles (UCLA) e cientista investigador no Jet Propulsion Laboratory da NASA.

À investigação juntaram-se Sheng-wey Chiow, físico experimental no JPL da NASA, e Nan Yu, professor adjunto na Universidade da Carolina do Sul e cientista investigador sénior no JPL da NASA. O artigo científico da equipa foi recentemente disponibilizado online e aceite para publicação na Physical Review D.

A experiência de Turyshev inclui a participação na equipa científica da missão Gravity Recovery And Interior Laboratory (GRAIL). Em trabalhos anteriores, Turyshev e os seus colegas analisaram de que forma uma missão à lente gravitacional solar (SGL) do Sol poderia transformar a astronomia.

Em 2020, o documento conceptual recebeu uma bolsa da Fase III do programa Innovative Advanced Concepts (NIAC) da NASA. Num estudo anterior, Turyshev e Claudio Maccone, astrónomo do SETI, também examinaram como civilizações avançadas poderiam recorrer a SGL para transmitir energia de um sistema solar para outro.

Lentes gravitacionais, Matéria Escura e nova física

Em termos simples, a lente gravitacional é um fenómeno no qual os campos gravitacionais modificam a curvatura do espaço-tempo nas suas imediações. Este efeito foi inicialmente previsto por Einstein em 1916 e utilizado por Arthur Eddington, em 1919, para confirmar a sua Teoria da Relatividade Geral (RG).

Contudo, entre as décadas de 1960 e 1990, as observações das curvas de rotação das galáxias e da expansão do Universo levaram a novas teorias sobre a natureza da gravidade em escalas cósmicas maiores. Por um lado, os cientistas propuseram a existência de Matéria Escura e Energia Escura para conciliar as observações com a RG.

Por outro lado, foram apresentadas teorias alternativas da gravidade, como a Dinâmica Newtoniana Modificada (MOND), a Gravidade Modificada (MOG), entre outras. Entretanto, outros investigadores sugeriram que poderá existir física adicional no cosmos de que ainda não temos conhecimento. Como Turyshev explicou à Universe Today por e-mail:

"Estamos ansiosos por explorar as questões em torno dos mistérios da energia escura e da matéria escura. Apesar da sua descoberta no século passado, as suas causas subjacentes continuam por esclarecer. Se estas «anomalias» resultarem de nova física - fenómenos ainda não observados em laboratórios terrestres ou aceleradores de partículas - é possível que esta nova força se manifeste à escala do Sistema Solar."

No seu estudo mais recente, Turyshev e os colegas estudaram a forma como uma série de naves espaciais, voando numa configuração tetraédrica, poderia investigar o campo gravitacional do Sol.

Segundo Turyshev, estas pesquisas procurariam desvios face às previsões da relatividade geral à escala do Sistema Solar, algo que ainda não foi possível realizar:

"Parte-se da hipótese de que estes desvios se manifestem como elementos não nulos no tensor do gradiente gravitacional (GGT), essencialmente semelhantes a uma solução da equação de Poisson.

Devido à sua dimensão diminuta, a deteção destes desvios exige uma precisão que excede as capacidades atuais em, pelo menos, cinco ordens de grandeza. Com um nível de exatidão tão elevado, muitos efeitos bem conhecidos introduzirão ruído significativo.

A estratégia passa por efetuar medições diferenciais para anular o impacto das forças conhecidas, revelando assim as contribuições subtis, mas não nulas, para o GGT."

Interferómetros e uma formação tetraédrica no Sistema Solar

De acordo com Turyshev, a missão recorreria a técnicas de medição locais assentes numa série de interferómetros. Entre elas encontra-se a medição interferométrica de distâncias por laser, uma técnica demonstrada pela missão Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO), um par de naves espaciais que utiliza a determinação de distâncias por laser para acompanhar os oceanos, glaciares, rios e águas superficiais da Terra.

A mesma técnica será também usada para estudar ondas gravitacionais pela proposta Antena Espacial de Interferometria Laser (LISA), baseada no espaço.

As naves espaciais incluiriam ainda interferómetros atómicos, que exploram o carácter ondulatório dos átomos para medir a diferença de fase entre ondas de matéria atómica que percorrem trajetos distintos. Esta técnica permitirá detetar ruído não gravitacional - atividade dos propulsores, pressão da radiação solar, forças de recuo térmico, entre outros - e anulá-lo no grau necessário.

Entretanto, o voo em formação tetraédrica maximizará a capacidade das naves espaciais para comparar medições.

"A medição de distâncias por laser fornecer-nos-á dados extremamente rigorosos sobre as distâncias e as velocidades relativas entre as naves espaciais", afirmou Turyshev.

"Além disso, a sua precisão excecional permitir-nos-á medir a rotação de uma formação tetraédrica relativamente a um referencial inercial - através de observáveis de Sagnac -, uma tarefa impossível de realizar por qualquer outro método. Consequentemente, será estabelecida uma formação tetraédrica que tira partido de um conjunto de medições locais."

Em última análise, a missão testará a RG nas menores escalas, um campo que tem carecido seriamente de investigação até agora. Embora os cientistas continuem a analisar o efeito dos campos gravitacionais sobre o espaço-tempo, esses estudos têm estado, em grande parte, limitados ao uso de galáxias e aglomerados de galáxias como lentes.

Outros exemplos incluem observações de objetos compactos, como estrelas anãs brancas, e de buracos negros supermassivos (SMBH), como Sagittarius A*, localizado no centro da Via Láctea.

"Pretendemos aumentar a precisão dos testes à RG e às teorias gravitacionais alternativas em mais de cinco ordens de grandeza.

Para além deste objetivo principal, a nossa missão tem metas científicas adicionais, que detalharemos no nosso artigo seguinte. Estas incluem testar a RG e outras teorias gravitacionais, detetar ondas gravitacionais na gama dos micro-hertz - um espetro inacessível aos instrumentos existentes ou previstos - e explorar aspetos do Sistema Solar, como o hipotético Planeta 9, entre outros objetivos."

Este artigo foi originalmente publicado pela Universe Today. Leia o artigo original.