AstrofísicaCiênciaFísicaFísica QuânticaAstrônomos observam a estranha distorção quântica no espaço vazio pela primeira vez

Diógenes Henrique2 anos atrás1Pixbay/ CC0 Public Domain
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Ao estudar a luz emitida por uma estrela de nêutrons extraordinariamente densa e fortemente magnetizada usando o Very Large Telescope do ESO, os astrônomos podem ter encontrado as primeiras indicações observacionais de um estranho efeito quântico, previsto pela primeira vez na década de 1930. A polarização da luz observada sugere que o espaço vazio ao redor da estrela de nêutrons está sujeito a um efeito quântico conhecido como birrefringência do vácuo. E, de quebra, eles empurram os limites da tecnologia dos telescópios atuais, que já são de tecnologia altamente sofisticada, para um pouco mais adiante.

A birrefringência é um fenômeno que consiste na criação de dois raios refratados a partir de um único raio inicial, quando esse incide sobre um meio anisotrópico (p.ex., um cristal de calcita). Anisotropia é a característica que uma substância possui em que uma certa propriedade física varia com a direção — é normal designar qual a propriedade em que existe a anisotropia, por exemplo, anisotropia elétrica, óptica, magnética. Especulava-se que a birrefringência ocorria no vácuo.

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A polarização da luz no vácuo na presença de campos magnéticos fortes foi pensada inicialmente na década de 1930 pelos físicos Werner Heisenberg e Hans Heinrich Euler como um produto da Teoria da Eletrodinâmica Quântica (EDQ ou QED). A teoria descreve como a luz e a matéria interagem. Pela primeira vez esse estranho efeito quântico foi observado por uma equipe de cientistas liderada por Roberto Mignani, do INAF Milão, Itália, e da Universidade de Zielona Gora, Polônia.

A birrefringência foi observada em torno de RX J1856.5-375, uma estrela de nêutrons que está a cerca de 400 anos-luz da Terra, usando o Very Large Telescope (VLT) do European Southern Observatory (ESO). Ocorre que nas proximidades da estrela de nêutrons, que é cercada por um campo magnético muito intenso, é encontrada uma região de vácuo no espaço (justamente devido ao campo magnético da estrela de nêutrons), onde a matéria aparece e desaparece aleatoriamente, segundo as leis da física quântica.

Apesar de estar entre as estrelas de nêutrons mais próximas, a RX J1856.5-375 de tamanho extremamente diminuto significava que os astrônomos só podiam observar a estrela com luz visível usando o instrumento FORS2 no VLT, nos limites da tecnologia atual do telescópio.

As estrelas de nêutrons são os núcleos remanescentes muito densos das estrelas maciças — pelo menos oito vezes mais massivas do que o nosso Sol — que explodiram como supernovas no final de suas vidas. Elas também têm campos magnéticos extremos, bilhões de vezes mais fortes do que o do Sol, que permeiam sua superfície externa e seus arredores.

Estrelas de Nêutrons

Uma estrela de nêutrons é o núcleo colapsado de uma estrela grande (de 10 a 29 massas solares). As estrelas de nêutrons são as estrelas mais pequenas e mais densas que se sabe existir.  Embora geralmente tenham um raio na ordem de dez a quinze quilômetros, elas podem ter massas de cerca de uma vez e meia a duas vezes a do Sol. Esses núcleos das estrelas de nêutrons resultam da explosão de uma estrela maciça em uma supernova, combinada com o colapso gravitacional, que comprime o núcleo remanesce em estrela anã branca a uma densidade equivalente a dos núcleos atômicos — o que comprime prótons e elétrons até que se tornem nêutrons. Assim, maioria dos modelos básicos para esses objetos implica que as estrelas de nêutrons são compostas quase que inteiramente de nêutrons, que são partículas subatômicas sem carga elétrica líquida e com massa ligeiramente maior que a dos prótons. Eles são mantidos contra um colapso adicional pela pressão de degeneração dos nêutrons, um fenômeno descrito pelo Princípio de Exclusão de Pauli. Se o núcleo remanescente da explosão da supernova contiver uma densidade grande o suficiente, algo que ocorre quando ultrapassa o limite superior do tamanho das estrelas de nêutrons de duas a três massas solares, ele continuará a ser compactado para formar um buraco negro. As estrelas de nêutrons são bastante fracas para isso, mas são duas vezes mais massivas do que o Sol. Como tal, elas têm campos magnéticos extremamente fortes permeando sua superfície e arredores.

Os vácuos são espaços supostamente vazios (de acordo com Einstein e Newton, pelo menos), onde a luz pode passar desimpedida. Mas, de acordo com a QED, o espaço está cheio de partículas virtuais que continuamente surgem e desaparecem. Campos magnéticos muito fortes, como aqueles que cercam estrelas de nêutrons, podem modificar o espaço tornando-o um vácuo perfeito. Usando o instrumento FORS2 no VLT, os pesquisadores conseguiram observar a estrela de nêutrons apenas com luz visível.

This artist’s view shows how the light coming from the surface of a strongly magnetic neutron star (left) becomes linearly polarised as it travels through the vacuum of space close to the star on its way to the observer on Earth (right). The polarisation of the observed light in the extremely strong magnetic field suggests that the empty space around the neutron star is subject to a quantum effect known as vacuum birefringence, a prediction of quantum electrodynamics (QED). This effect was predicted in the 1930s but has not been observed before. The magnetic and electric field directions of the light rays are shown by the red and blue lines. Model simulations by Roberto Taverna (University of Padua, Italy) and Denis Gonzalez Caniulef (UCL/MSSL, UK) show how these align along a preferred direction as the light passes through the region around the neutron star. As they become aligned the light becomes polarised, and this polarisation can be detected by sensitive instruments on Earth.
Esta concepção artística mostra como é que a radiação emitida pela estrela de nêutrons fortemente magnetizada (à esquerda) se polariza linearmente à medida que viaja através do vácuo do espaço que envolve a estrela no seu percurso até chegar à Terra (à direita). A polarização da radiação observada no campo magnético extremamente forte sugere que o espaço vazio que rodeia a estrela de nêutrons está sujeito a um efeito quântico chamado birrefringência do vácuo, uma previsão da eletrodinâmica quântica. Este efeito foi previsto nos anos 1930 mas nunca foi observado até agora. As direções dos campos magnético e elétrico estão marcadas com linhas vermelhas e azuis. Simulações de modelos obtidas por Roberto Taverna (Universidade de Pádua, Itália) e Denis Gonzalez Caniulef (UCL/MSSL, RU) mostram como estas se alinham ao longo de uma direção preferencial quando a radiação passa pela região em torno da estrela de nêutrons. Créditos: ESO/L. Calçada

O VLT e o VLTI

O conjunto Very Large Telescope (VLT) é um emblemático instrumento da astronomia. Trata-se do telescópio óptico mais avançado do mundo, com uma unidade telescópica composta por quatro telescópios menores, com espelhos principais de 8,2 m de diâmetro e quatro telescópios auxiliares móveis de 1,8 m de diâmetro. Os grandes telescópios são chamados Antu, Kueyen, Melipal e Yepun. Os telescópios podem trabalhar juntos, formando um “interferômetro” gigante, o Interferômetro do Very Large Telescope (VLTI), permitindo que os astrônomos vejam detalhes até 25 vezes menores que os telescópios individuais. Os feixes de luz são combinados no VLTI usando um sistema complexo de espelhos em túneis subterrâneos, onde os caminhos da luz devem ser mantidos iguais a distâncias inferiores a 1/1000 mm sobre uma centena de metros. Com este tipo de precisão, o VLTI pode reconstruir imagens com uma resolução angular de milisegundos, o que equivale a distinguir dois faróis de um carro à distância da Lua.

Os telescópios da unidade de 8,2 m de diâmetro também podem ser usados individualmente. Com um desses telescópios, as imagens de objetos celestes tão fracos como a magnitude trinta podem ser obtidas em uma exposição de uma hora. Isso corresponde a ver objetos que são quatro bilhões de vezes mais fracos do que o que pode ser visto a olho nu.

O FORS2 do VLT no Cerro Paranal

“De todos os instrumentos no Paranal, esse é o canivete suíço do ESO”. Essa é a forma como Henri Boffin, o cientista por trás do instrumento de baixa dispersão focal ou FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2 (FORS2), descreve o instrumento mais procurado no Observatório Paranal da ESO, situado no alto do Cerro Paranal, no deserto do Atacama, Chile. A chave para o sucesso é que FORS2, instalado no telescópio UT1 (Antu) do VLT, é capaz de estudar muitos objetos astronômicos diferentes de muitas maneiras diferentes. Por exemplo, ele pode tirar imagens de áreas relativamente grandes do céu com sensibilidade muito alta. Não é de admirar que algumas das fotos mais icônicas tiradas com o VLT usaram este instrumento.

Mas o FORS2 também pode obter espectros de um, dois ou mesmo várias dezenas de objetos no céu simultaneamente. “Quando usado como um espectrógrafo, o FORS2 dispersa a luz em um espectro muito sofisticado que ajuda os astrônomos a estudar a composição química ou estimar as distâncias de objetos remotos”, diz Boffin. O FORS2 também pode medir a polarização da luz e, portanto, é usado no VLT para determinar se alguns objetos astronômicos possuem campos magnéticos fortes. E foi essa habilidade do equipamento que permitiu aos astrônomos constatarem a birrefringência do vácuo.

A representação artística do vídeo abaixo mostra como a luz que vem da superfície de uma estrela de nêutrons fortemente magnética (esquerda) torna-se linearmente polarizada ao percorrer o vácuo do espaço próximo à estrela no caminho para o observador na Terra (direita). A polarização da luz observada em campo magnético extremamente forte sugere que o espaço vazio ao redor da estrela de nêutrons está sujeito a um efeito quântico conhecido como birrefringência a vácuo, uma predição da eletrodinâmica quântica (QED). Este efeito foi previsto na década de 1930, mas não foi observado antes.

As direções de campo magnético e elétrico dos raios de luz são mostradas pelas linhas vermelha e azul. As simulações de modelos de Roberto Taverna (Universidade de Pádua, Itália) e Denis Gonzalez Caniulef (UCL / MSSL, Reino Unido) mostram como estes se alinham ao longo de uma direção preferida à medida que a luz passa pela região ao redor da estrela de nêutrons. À medida que se alinham, a luz fica polarizada, e essa polarização pode ser detectada por instrumentos sensíveis na Terra. Crédito: ESO/L. Calçada

Melhores Telescópios

Estudando dados do VLT na estrela de nêutron, os pesquisadores viram a polarização linear ocorrer em um grau significativo, de cerca de 16%. Isso muito provavelmente se deve à birrefringência a vácuo na área que rodeia RX J1856.5-375.

Os campos magnéticos nesses corpos são tão fortes que afetam as propriedades do espaço vazio ao redor da estrela. Normalmente, um vácuo é pensado como completamente vazio, e a luz pode percorrê-lo sem ser alterada. Mas na eletrodinâmica quântica (QED), a teoria quântica descrevendo a interação entre fótons e partículas carregadas, como elétrons, o espaço está cheio de partículas virtuais que aparecem e desaparecem o tempo todo. Campos magnéticos muito fortes podem modificar este espaço de modo que afete a polarização da luz passando por ele.

“De acordo com a QED, um vácuo altamente magnetizado se comporta como um prisma para a propagação da luz, um efeito conhecido como birrefringência a vácuo”, explica Mignani. “A alta [polarização] linear que medimos com o VLT não pode ser explicada facilmente por nossos modelos, a menos que os efeitos de birrefringência do vácuo previstos pela QED sejam incluídos”.

“Este efeito só pode ser detectado na presença de campos magnéticos extremamente fortes, como os que estão ao redor das estrelas de nêutrons. Isso mostra, mais uma vez, que as estrelas de nêutrons são laboratórios inestimáveis para estudar as leis fundamentais da natureza”, diz Roberto Turolla (Universidade de Pádua, Itália).

Esta ampla imagem mostra o céu em torno da muito fraca estrela de nêutrons RX J1856.5-3754 ao sul da constelação de Corona Australis. Esta parte do céu também contém regiões interessantes de nebulosa escura e brilhante que cercam a estrela variável R Coronae Australis (superior esquerda), bem como o conjunto de estrelas globulares NGC 6723. A própria estrela de nêutrons é muito fraca para ser vista aqui, mas está muito próxima do centro da imagem. Este objeto faz parte do grupo de estrelas de nêutrons conhecido como o Magnífico Sete. Eles são conhecidos como estrelas de nêutrons isoladas (isolated neutron stars - INS), que não possuem companheiros estelares, não emite ondas de rádio (como pulsares) e não são cercadas por material supernova progenitor. Créditos: ESO (Clique aqui para ver a imagem ampliada)
Esta ampla imagem mostra o céu em torno da muito fraca estrela de nêutrons RX J1856.5-3754 ao sul da constelação de Corona Australis. Esta parte do céu também contém regiões interessantes de nebulosa escura e brilhante que cercam a estrela variável R Coronae Australis (superior esquerda), bem como o conjunto de estrelas globulares NGC 6723. A própria estrela de nêutrons é muito fraca para ser vista aqui, mas está muito próxima do centro da imagem. Este objeto faz parte do grupo de estrelas de nêutrons conhecido como o Magnífico Sete. Eles são conhecidos como estrelas de nêutrons isoladas (isolated neutron stars – INS), que não possuem companheiros estelares, não emite ondas de rádio (como pulsares) e não são cercadas por material supernova progenitor. Créditos: ESO//Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

Após uma análise cuidadosa dos dados VLT, Mignani e sua equipe detectaram polarização linear – em um grau significativo de cerca de 16% – que eles dizem é provavelmente devido ao efeito impulsionador da birrefringência a vácuo que ocorre na área do espaço vazio em torno de RX J1856.5 -3754.

Vincenzo Testa (INAF, Roma, Itália) comenta: “Este é o objeto mais fraco para o qual a polarização já foi medida. Requer um dos maiores e mais eficientes telescópios do mundo, o VLT, e técnicas de análise de dados precisas para melhorar o sinal de uma estrela tão fraca”.

“Esta medida, feita pela primeira vez agora em luz visível, também abre caminho para medidas semelhantes a serem realizadas em comprimentos de raios X”, disse o pesquisador Kinwah Wu.

“Este estudo com o VLT é o primeiro suporte observacional para as previsões desses tipos de efeitos QED que surgem em campos magnéticos extremamente fortes”, observa a pesquisadora Silvia Zane (UCL / MSSL, Inglaterra).

Dada as limitações tecnológicas atuais, Mignani acredita que os telescópios futuros podem descobrir mais sobre os estranhos efeitos quânticos similares ao estudar outras estrelas de nêutrons. “As medições de polarização com a próxima geração de telescópios, como o telescópio European Extremely Large Telescope (EELT) da ESO, podem desempenhar um papel crucial no teste das previsões QED de efeitos de birrefringência de vácuo em torno de muitas mais estrelas de nêutrons”, afirmou.

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Existem outros processos que podem polarizar a luz das estrelas à medida que viaja pelo espaço. A equipe analisou cuidadosamente outras possibilidades — por exemplo, a polarização criada pela dispersão de grãos de poeira —, mas consideram improvável que elas produzam o sinal de polarização observado. O estudo foi publicado pelo ESO.

Referências: 

  1. MIGNANI, R. P. et al. Evidence for vacuum birefringence from the first optical polarimetry measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754. ESO, 2016.
  2. ESO. “First Signs of Weird Quantum Property of Empty Space?”. <https://www.eso.org/public/news/eso1641/?lang> Acesso em 01/07/2017.