ondulações no espaço-tempo são o que as ondas gravitacionais são, e elas viajam através do espaço à velocidade de… luz em todas as direcções. Embora as constantes do eletromagnetismo nunca apareçam nas equações da Relatividade Geral de Einstein, a velocidade da gravidade é, sem dúvida, igual à velocidade da luz. Eis o porquê.,Observatório gravitacional Europeu, Lionel BRET/EUROLIOS, se o sol parasse espontaneamente de emitir luz, não o saberíamos por cerca de 8 minutos e 20 segundos. A luz que está chegando aqui na terra, neste preciso momento, foi emitida da fotosfera solar uma quantidade finita de tempo no passado, e só está sendo vista agora depois de uma viagem através dos 150 milhões de km (93 milhões de milhas) que separam o sol da Terra. Se o sol escurecesse agora, não descobriríamos até que a luz parasse de chegar.mas e gravitacionalmente?, Se o Sol fosse espontaneamente (de alguma forma) removido da existência, quanto tempo a Terra permaneceria em sua órbita elíptica antes de voar em linha reta? Acredite ou não, a resposta a isso deve ser exatamente a mesma quantidade de tempo que foi para a luz: 8 minutos e 20 segundos. A velocidade da gravidade não só é igual à velocidade da luz a um grau de observação incrivelmente preciso, mas estas duas constantes devem ser exatamente iguais teoricamente, ou a Relatividade Geral desmoronar-se-ia. Eis a ciência por trás do porquê.,
a lei da gravitação Universal de Newton foi substituída pela relatividade geral de Einstein, mas… baseou-se no conceito de uma ação instantânea (força) à distância, e é incrivelmente simples. A constante gravitacional nesta equação, G, juntamente com os valores das duas massas e a distância entre elas, são os únicos fatores na determinação de uma força gravitacional. G também aparece na teoria de Einstein.,Dennis Nilsson, Utilizador da Wikimedia commons,
antes da Relatividade Geral surgir, a nossa teoria da gravidade mais bem sucedida foi a lei universal da gravitação de Newton. De acordo com Newton, a força gravitacional entre quaisquer dois objetos no espaço definido por apenas quatro parâmetros:
- A constante gravitacional do universo, G, Que é a mesma para todos.
- a massa do primeiro objeto, m, que experimenta a força gravitacional. (Pelo princípio de equivalência de Einstein, este é o mesmo m que entra nas leis do movimento, como F = ma.,)
- a massa do segundo objeto, M, que atrai o primeiro objeto.
- a distância entre eles, r, que se estende do centro-de-massa do primeiro objeto para o centro-de-massa do segundo.
tenha em mente que estes são os únicos quatro parâmetros que são permitidos na gravitação Newtoniana. Você pode realizar todos os tipos de cálculos a partir desta Lei de força para derivar, por exemplo, órbitas planetárias elípticas em torno do sol. Mas as equações só funcionam se a força gravitacional for instantânea.,
as órbitas dos oito planetas principais variam em excentricidade e a diferença entre periélio… (aproximação mais próxima) e afélio (distância mais distante) em relação ao sol. Não há nenhuma razão fundamental pela qual alguns planetas são mais ou menos excêntricos que um ao outro; é simplesmente um resultado das condições iniciais das quais o sistema Solar se formou., No entanto, se você de alguma forma desligasse os efeitos gravitacionais do sol, os planetas não voariam instantaneamente, mas sim os internos voariam primeiro, seguidos pelos externos, pois os sinais gravitacionais do sol só se propagam para fora à velocidade da gravidade, o que deve igualar a velocidade da luz.
NASA / JPL-Caltech / R. Hurt
isto pode intrigá-lo um pouco., Afinal de contas, se a velocidade da gravidade é apenas igual à velocidade da luz, em vez de uma força infinitamente rápida, então a terra deve ser atraída para onde o sol estava há 8 minutos e 20 segundos atrás, não onde o sol está agora, neste momento em particular no tempo. Mas se você fizer esse cálculo em vez disso, e permitir que a Terra seja atraída para a posição passada do sol ao invés de sua posição atual, você obtém uma previsão para sua órbita que é tão completamente errada que o próprio Newton, com observações de qualidade que remontam a menos de 100 anos (para o tempo de Tycho Brahe), poderia tê-lo descartado.,
Na verdade, se você usou leis de Newton para calcular as órbitas dos planetas e exigiram que eles correspondem modernas observações, não só a velocidade da gravidade tem que ser mais rápido que a velocidade da luz, teria de ter um mínimo de 20 bilhões de vezes mais rápido: indistinguível de uma velocidade infinita.
um modelo preciso de como os planetas orbitam o sol, que então se move através da galáxia em A… direcção de movimento diferente., Se o Sol fosse simplesmente piscadela de existência, a teoria de Newton prevê que todos eles instantaneamente voar em linhas retas, enquanto Einstein prevê que os planetas interiores iria continuar em órbita por períodos mais curtos de tempo do que os planetas exteriores.
Rhys Taylor
O problema é este: se você tem uma força central, onde um dependente de partículas, como (por exemplo) a Terra é atraída para o Sol se move em torno do Sol (em órbita, ou de propagação), a uma velocidade finita, você só vai conseguir puramente órbita elíptica se que a força da velocidade de propagação é infinito., Se for finito, então você não tem apenas uma aceleração radial (em direção à outra massa), mas também tem um componente que acelera sua partícula tangencialmente.
isso faria órbitas não só elípticas, mas instáveis. Na escala de um mero século, órbitas mudariam substancialmente. Em 1805, Laplace tinha usado observações da Lua para demonstrar que a velocidade da gravidade newtoniana deve ser 7 milhões de vezes maior do que a velocidade da luz. As restrições modernas são agora 20 bilhões de vezes a velocidade da luz, o que é grande para Newton. Mas tudo isso colocou um grande fardo em Einstein.,
um aspecto revolucionário do movimento relativista, apresentado por Einstein mas previamente construído por… Lorentz, Fitzgerald, and others, that rapidly moving objects appeared to contract in space and dilate in time. Quanto mais rápido você se move em relação a alguém em repouso, maior o seu comprimento parece ser contraído, enquanto mais tempo parece dilatar para o mundo exterior., Este quadro, da mecânica relativista, substituiu a antiga visão newtoniana da mecânica clássica, mas também carrega tremendas implicações para teorias que não são relativisticamente invariantes, como a gravidade newtoniana.
Curt Renshaw
de Acordo com Einstein, há um grande problema, conceitualmente, com Newton, a força gravitacional da lei: a distância entre quaisquer dois objetos não é uma quantidade absoluta, mas que é dependente do movimento do observador., Se você está se movendo para ou para longe de qualquer linha imaginária que você desenha, distâncias nessa direção contrairão, dependendo de suas velocidades relativas. Para que a força gravitacional seja uma quantidade calculável, todos os observadores teriam de derivar resultados consistentes, algo que não se consegue combinando a relatividade com a lei da força gravitacional de Newton.portanto, de acordo com Einstein, você teria que desenvolver uma teoria que reunisse movimentos gravitacionais e relativísticos, e isso significava desenvolver a relatividade geral: uma teoria relativística do movimento que incorporava a gravidade nela., Uma vez concluída, a relatividade geral contou uma história dramaticamente diferente.
An animated look at how spacetime responds as a mass moves through it helps showcase exactly how,… qualitativamente, não é apenas uma folha de tecido, mas todo o espaço em si é curvado pela presença e propriedades da matéria e energia dentro do universo. Note que o espaço-tempo só pode ser descrito se incluirmos não só a posição do objeto massivo, mas onde essa massa está localizada ao longo do tempo., Tanto a localização instantânea como a história passada de onde esse objeto estava localizado determinam as forças vividas pelos objetos que se movem através do universo.
LucasVB
a fim de obter diferentes observadores concordam sobre como a gravidade funciona, não pode haver tal coisa como o espaço absoluto, tempo absoluto, ou um sinal que se propaga com velocidade infinita., Em vez disso, o espaço e o tempo devem ser relativos para observadores diferentes, e os sinais só podem propagar-se a velocidades que exatamente igualam a velocidade da luz (se a partícula de propagação é sem massa) ou a velocidades que estão abaixo da velocidade da luz (se a partícula tem massa).
para que isso funcione, porém, tem que haver um efeito adicional para cancelar o problema de uma aceleração tangencial não-zero, que é induzida por uma velocidade finita da gravidade., Este fenômeno, conhecido como aberração gravitacional, é quase exatamente cancelado pelo fato de que a relatividade geral também tem interações dependentes da velocidade. À medida que a terra se move através do espaço, por exemplo, sente que a força do Sol muda à medida que muda de posição, da mesma forma que um barco que viaja através do oceano descerá em uma posição diferente à medida que ele é levantado e abaixado novamente por uma onda passageira.
radiação gravitacional é emitida sempre que uma massa Orbita outra, o que significa que sobre longo… tempo suficiente, as órbitas vão decair., Antes que o primeiro buraco negro evapore, a terra vai entrar em espiral no que resta do sol, assumindo que nada mais o ejetou anteriormente. A terra é atraída para onde o sol estava aproximadamente 8 minutos atrás, não para onde está hoje.
American Physical Society
o que é notável, e de forma nenhuma óbvia, é que estes dois efeitos cancelam quase exatamente., O fato de que a velocidade da gravidade é finita é o que induz esta aberração gravitacional, mas o fato de que a relatividade geral (ao contrário da gravidade newtoniana) tem interações dependentes da velocidade é o que permitiu que a gravidade newtoniana fosse uma boa aproximação. Há apenas uma velocidade que funciona para tornar este cancelamento um bom: se a velocidade da gravidade é igual à velocidade da luz.esta é a motivação teórica para a razão pela qual a velocidade da gravidade deve igualar a velocidade da luz., Se você quer que as órbitas planetárias sejam consistentes com o que vimos, e sejam consistentes para todos os observadores, você precisa de uma velocidade de gravidade igual a c, e para que sua teoria seja relativisticamente invariante. Mas há outra advertência. Na relatividade geral, o cancelamento entre a aberração gravitacional e o termo dependente da velocidade é quase exato, mas não completamente. Só o sistema certo pode revelar a diferença entre as previsões de Einstein e de Newton.,
quando uma massa se move através de uma região de espaço curvado, ela irá experimentar uma aceleração devido ao… o espaço curvado que habita. Ele também experimenta um efeito adicional devido à sua velocidade enquanto se move através de uma região onde a curvatura espacial está constantemente mudando. Estes dois efeitos, quando combinados, resultam em uma pequena diferença em relação às previsões da gravidade de Newton.,David Champion, Max Planck Institute for Radio Astronomy
no nosso próprio bairro, a força da gravidade do sol é muito fraca para produzir um efeito mensurável. O que você gostaria era de um sistema que tivesse grandes campos gravitacionais em pequenas distâncias de uma fonte massiva, onde a velocidade do objeto em movimento é rápida e em rápida mudança (aceleração), em um campo gravitacional com um grande gradiente.o nosso Sol não nos dá isso, mas o ambiente em torno de um buraco negro binário ou de uma estrela binária de nêutrons dá!, Idealmente, um sistema com um objeto massivo movendo-se com uma velocidade em mudança através de um campo gravitacional em mudança mostrará este efeito. E um sistema binário de Estrelas de nêutrons, onde uma das Estrelas de nêutrons é um pulsar muito preciso, encaixa exatamente na nota.
quando você tem um único objeto, como um pulsar, orbitando no espaço, ele vai pulsar cada vez que ele… completa uma rotação de 360 graus para um observador alinhado fortuitamente., Se você colocar esse pulsar em um sistema binário com outro objeto denso e massivo, ele se moverá rapidamente através desse espaço, exibindo tanto os efeitos da aberração gravitacional e interações dependentes da velocidade, e seu cancelamento inexato permite aos cientistas discernir as previsões relativísticas para este sistema a partir dos Newtonianos.um pulsar, e em particular um pulsar milissegundo, é o melhor relógio natural do universo., À medida que a estrela de nêutrons gira, emite um jato de radiação eletromagnética que tem a chance de estar alinhada com a perspectiva da terra uma vez a cada rotação de 360 graus. Se o alinhamento estiver correcto, observaremos estes pulsos a chegar com precisão e precisão extraordinariamente previsíveis.se o pulsar está em um sistema binário, então se movendo através desse campo gravitacional em mudança causará a emissão de ondas gravitacionais, que transportam energia para longe do sistema gravitacional. A perda dessa energia tem que vir de algum lugar, e é compensada pelo decaimento das órbitas do pulsar., As previsões de decaimento do pulsar são altamente sensíveis à velocidade da gravidade; usando mesmo o primeiro sistema binário de pulsar já descoberto por si mesmo, PSR 1913+16 (ou o binário Hulse-Taylor), nos permitiu restringir a velocidade da gravidade para ser igual à velocidade da luz a apenas 0,2%!
a taxa de decaimento orbital de um pulsar binário é altamente dependente da velocidade da gravidade e do… parâmetros orbitais do sistema binário. Nós usamos dados pulsares binários para restringir a velocidade da gravidade para ser igual à velocidade da luz a uma precisão de 99.,8%, e para inferir a existência de ondas gravitacionais décadas antes de LIGO e Virgem detectá-las. No entanto, a detecção direta de ondas gravitacionais foi uma parte vital do processo científico, e a existência de ondas gravitacionais ainda estaria em dúvida sem ela.NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer (R)
desde então, outras medições também demonstraram a equivalência entre a velocidade da luz e a velocidade da gravidade., Em 2002, coincidência casual fez com que a Terra, Júpiter e um quasar de rádio muito forte (conhecido como QSO J0842+1835) se alinhassem. À medida que Júpiter passava entre a terra e o quasar, os seus efeitos gravitacionais faziam com que a luz das estrelas se dobrasse de uma forma dependente da velocidade da gravidade.,
Júpiter fez, na verdade, curvar a luz do quasar, capacitando-nos para governar para fora a uma velocidade infinita para a velocidade da gravidade e determinar que ele foi, na verdade, entre 255 milhões e 381 milhões de metros por segundo, de forma consistente com o valor exato para a velocidade da luz (299,792,458 m/s) e também com previsões de Einstein. Ainda mais recentemente, as primeiras observações das ondas gravitacionais nos trouxeram restrições ainda mais apertadas.
ilustração de uma rápida explosão de raios gama, pensa-se que ocorra a partir da fusão de Estrelas de neutrões. O…, um ambiente rico em gás ao seu redor poderia atrasar a chegada do sinal, explicando a diferença observada de 1,7 segundos entre as chegadas das Assinaturas gravitacionais e eletromagnéticas. Esta é a melhor evidência que temos, observacionalmente, de que a velocidade da gravidade deve igualar a velocidade da luz.,
ESO
da primeira onda gravitacional detectada e da diferença nos seus tempos de chegada em Hanford, WA e Livingston, LA, aprendemos directamente que a velocidade da gravidade igualou a velocidade da luz a cerca de 70%, o que não é uma melhoria em relação às restrições de tempo do pulsar. Mas quando 2017 viu a chegada de ondas gravitacionais e luz de uma fusão estrela de nêutrons e Estrelas de nêutrons, o fato de que sinais de raios gama veio apenas 1.,7 segundos depois do sinal da onda gravitacional, através de uma viagem de mais de 100 milhões de anos-luz, ensinou-nos que a velocidade da luz e a velocidade da gravidade diferem em não mais de 1 parte num quadrilhão: 1015.enquanto as ondas gravitacionais e os fótons não tiverem massa de repouso, as leis da física ditam que devem mover-se exatamente à mesma velocidade: a velocidade da luz, que deve igualar a velocidade da gravidade., Mesmo antes de as restrições se tornarem espetaculares, exigir que uma teoria gravitacional reproduza órbitas Newtonianas enquanto simultaneamente ser relativisticamente invariante leva a esta conclusão inevitável. A velocidade da gravidade é exatamente a velocidade da luz, e a física não teria permitido que fosse de outra maneira.