A previsão astrofísica de Heisenberg finalmente confirmada após 80 anos
A luz vinda da superfície de uma estrela de nêutrons pode ser polarizada pelo forte campo magnético pelo qual passa, graças ao fenômeno da birrefringência do vácuo. Detectores aqui na Terra podem medir a rotação efetiva da luz polarizada. Crédito da imagem: ESO/L. Calçada.
Um dos físicos quânticos mais famosos de todos deixa sua marca no espaço, 80 anos após a primeira previsão.
O que observamos não é a própria natureza, mas a natureza exposta ao nosso método de questionamento. – Werner Heisenberg
Descobrir que nosso Universo era de natureza quântica trouxe consigo muitas consequências não intuitivas. Quanto melhor você mediu a posição de uma partícula, mais fundamentalmente indeterminado era seu momento. Quanto mais curta uma partícula instável vivia, menos conhecida sua massa era fundamentalmente. Objetos sólidos e materiais exibem propriedades semelhantes a ondas. E talvez o mais intrigante de tudo, o espaço vazio – espaço que teve toda a sua matéria e radiação removidas – não está vazio, mas é preenchido com pares virtuais de partículas e antipartículas. Há 80 anos, o físico Werner Heisenberg (que determinou as duas relações fundamentais de incerteza), juntamente com Hans Euler, previu que, por causa dessas partículas virtuais, campos magnéticos fortes deveriam afetar a forma como a luz se propaga no vácuo. Graças à astronomia de estrelas de nêutrons, essa previsão acaba de ser confirmada.
Uma estrela de nêutrons, apesar de ser composta principalmente de partículas neutras, produz os campos magnéticos mais fortes do Universo. Crédito da imagem: NASA / Casey Reed — Penn State University.
Podemos tomar o nome estrela de nêutrons literalmente e assumir que ela é feita exclusivamente de nêutrons, mas isso não está certo. Os 10% externos de uma estrela de nêutrons consistem principalmente de prótons e até elétrons, que podem existir de forma estável sem serem esmagados na superfície. Como as estrelas de nêutrons giram extremamente rapidamente – mais de 10% da velocidade da luz – essas partículas carregadas estão sempre em movimento, o que significa que produzem correntes elétricas e campos magnéticos. Os próprios campos magnéticos devem afetar os pares partícula/antipartícula presentes no espaço vazio de forma diferente, pois possuem cargas opostas. E se você tiver luz passando por essa região do espaço, ela deve ficar polarizada dependendo da força do campo.
Experimentos de pulso de laser direto procuram medir essa birrefringência de vácuo em condições de laboratório, mas não tiveram sucesso até agora. Crédito da imagem: Sondando a birrefringência a vácuo sob um campo de laser de alta intensidade com polarimetria de raios gama na escala GeV, por Yoshihide Nakamiya, Kensuke Homma, Toseo Moritaka e Keita Seto, via https://arxiv.org/abs/1512.00636 .
Esse efeito é conhecido como birrefringência a vácuo e ocorre quando as partículas carregadas são puxadas em direções opostas pelas fortes linhas do campo magnético. Como o efeito é dimensionado como o quadrado da força do campo magnético, faz sentido observar as estrelas de nêutrons para esse efeito. Enquanto o campo magnético da Terra é de cerca de 100 microTesla, os campos magnéticos mais fortes que produzimos na Terra são apenas cerca de 100 Tesla: fortes, mas não fortes o suficiente. Mas com as condições extremas das estrelas de nêutrons, grandes regiões do espaço contêm campos magnéticos superiores a 10⁸ Tesla, tornando este um lugar ideal para se olhar.
Imagem do VLT da área ao redor da estrela de nêutrons muito fraca RX J1856.5–3754. O círculo azul, adicionado por E. Siegel, mostra a localização da estrela de nêutrons. Crédito da imagem: ESO.
Embora não seja emitida muita luz da superfície da estrela de nêutrons, a luz emitida deve passar pelo forte campo magnético a caminho de nossos telescópios, detectores e olhos. Como o espaço exibe esse efeito de birrefringência de vácuo, a luz que passa por ele deve ser polarizada e todos devem exibir uma direção comum de polarização. Ao medir a luz da estrela de nêutrons muito fraca RX J1856.5–3754 com o Very Large Telescope no Chile, uma equipe liderada por Roberto Mignani foi capaz de medir o grau de polarização pela primeira vez . Os dados reais mostram um grande efeito: um grau de polarização de cerca de 15%.
Medição da polarização em torno da estrela de nêutrons RX J1856.5–3754. Crédito da imagem: Figura 3 da Evidência para birrefringência a vácuo da primeira medição de polarimetria óptica da estrela de nêutrons isolada RX J1856.5−3754, R.P. Mignani et al., MNRAS 465, 492 (2016).
Se você fizer o cálculo de qual deveria ser o efeito da birrefringência no vácuo e subtraí-lo, como os autores fazem, você pode ver claramente que ele é responsável por quase toda a polarização. Os dados e as previsões coincidem praticamente perfeitamente.
Sem os efeitos da polarização do vácuo, praticamente nenhum sinal seria visível. Os dados e a teoria coincidem. Crédito da imagem: Figura 3 da Evidência para birrefringência a vácuo da primeira medição de polarimetria óptica da estrela de nêutrons isolada RX J1856.5−3754, R.P. Mignani et al., MNRAS 465, 492 (2016).
A razão pela qual esta estrela de nêutrons – ao contrário de outras – é tão perfeita para essa medição é que a maioria das estrelas de nêutrons tem sua superfície obscurecida por uma magnetosfera densa e cheia de plasma. Se tentássemos olhar para o pulsar na Nebulosa do Caranguejo, por exemplo, não teríamos chance de fazer essa observação. A região ao seu redor é simplesmente opaca para os tipos de luz que gostaríamos de medir.
Heisenberg e Euler fizeram essa previsão em 1936, e ela não foi testada até agora. Graças a esse pulsar, temos a confirmação de que a luz polarizada na mesma direção do campo magnético tem sua propagação afetada pela física quântica, exatamente de acordo com as previsões da eletrodinâmica quântica. Uma previsão teórica de 80 anos atrás acrescenta outra pena na cabeça de Heisenberg, que agora pode adicionar postumamente astrofísico ao seu currículo. Mas o RX J1856.5-3754 pode, no futuro, confirmar a birrefringência do vácuo ainda mais fortemente observando os raios-X.
O futuro telescópio de raios X Athena da Agência Espacial Europeia. Crédito da imagem: MPE e equipe Athena.
Não temos um telescópio espacial capaz de medir a polarização de raios-X hoje, mas a próxima missão Athena da ESA fará exatamente isso. Ao contrário da polarização de ~ 15% que a luz visível exibe, os raios X devem ser ~ 100% polarizados. Atena está atualmente com lançamento previsto para 2028 , e combinado com observatórios terrestres gigantes como o Telescópio Gigante de Magalhães e o ELT, deve fornecer essa confirmação para muitas dessas estrelas de nêutrons. É mais uma vitória para o universo quântico não intuitivo, mas fascinante.
Referência : Evidência de birrefringência a vácuo da primeira medição de polarimetria óptica da estrela de nêutrons isolada RX J1856.5−3754 , R. P. Mignani, V. Testa, D. Gonzalez Caniulef, R. Taverna, R. Turolla, S. Zane e K. Wu, MNRAS 465, 492 (2016).
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