A Terra arrasta o espaço-tempo? Sensor quântico pode ajudar a medir este efeito

Segundo a teoria da relatividade geral, os corpos massivos em rotação deformam o espaço-tempo ao seu redor, produzindo um efeito conhecido como frame-dragging. Neste fenómeno, a rotação do objeto influencia a geometria do espaço-tempo e afeta o movimento de corpos e instrumentos próximos.

Embora a Terra seja massiva à escala humana, o seu frame-dragging é muito pequeno quando comparado ao produzido por objetos astrofísicos mais compactos e massivos. Por isso, o efeito terrestre é difícil de observar por causa de outras influências, como perturbações gravitacionais.

Para investigar uma nova forma de medir este efeito, investigadores propuseram um sensor quântico baseado em hélio superfluido. Neste estado, o hélio apresenta propriedades quânticas coletivas e pode sustentar movimentos com dissipação baixa, características úteis para medições de rotação.

Previsão de Einstein

A teoria da relatividade geral descreve a gravidade como uma consequência da curvatura do espaço-tempo causada pela massa e pela energia. Quando um corpo massivo está em rotação, este movimento também modifica a geometria do espaço-tempo ao seu redor, produzindo o frame-dragging.

O efeito depende das propriedades do objeto, incluindo o seu momento angular, e é mais intenso nas proximidades de corpos compactos, como buracos negros em rotação. Na Terra, embora previsto pela relatividade geral, o arrasto é extremamente fraco, o que dificulta a sua medição precisa.

O que é um superfluido?

Um superfluido é um estado da matéria que apresenta viscosidade nula, permitindo que flua sem dissipar energia por atrito interno. Este comportamento surge em condições específicas, geralmente a temperaturas baixas, quando as partículas passam a apresentar um comportamento coletivo.

Um exemplo é o hélio-4, que se torna superfluido abaixo de aproximadamente 2,17 kelvin, perto de −271 °C, à pressão atmosférica. O material pode fluir por canais estreitos com dissipação muito baixa. Os superfluidos são promissores para sensores de alta precisão, incluindo giroscópios quânticos.

Sensor Quântico

O sensor quântico proposto pelos investigadores usa hélio-4 arrefecido. O dispositivo consiste num tubo em formato de anel preenchido com este líquido, projetado para detetar variações no seu movimento. Quando o dispositivo gira, surge uma diferença de fase que pode ser sinal da rotação.

Para medir esta variação, os investigadores propõem acompanhar o movimento de um diafragma mecânico conectado ao circuito de hélio superfluido. O principal desafio é distinguir o sinal relativístico do ruído térmico, que pode produzir flutuações aleatórias na fase quântica e encobrir o efeito procurado.

Resultados

O estudo indica que arrefecer o sensor de hélio superfluido a temperaturas inferiores ao limite de 2,17 kelvin pode reduzir o ruído térmico e aumentar a sua sensibilidade à rotação. Um giroscópio operando a cerca de 10 milikelvin poderia alcançar precisão comparável ou superior à das melhores medições anteriores.

Além de investigar o frame-dragging, o dispositivo poderia permitir estudos de diferenças extremamente pequenas na passagem do tempo. Os investigadores planeiam avançar na etapa experimental e investigar se o sensor poderá, futuramente, testar efeitos associados à gravidade quântica.