Os astrónomos podem ter encontrado algumas das evidências mais fortes até agora para uma das previsões mais estranhas da mecânica quântica: até o espaço vazio pode aparentemente afetar a forma como a luz viaja.
Este fenômeno, conhecido como “dupla falha do vácuo”, foi previsto há quase 90 anos por Werner Heisenberg, um dos pioneiros da mecânica quântica. Seu trabalho mostrou que um vácuo perfeito não é realmente vazio. Em vez disso, deve conter “partículas virtuais” que aparecem e desaparecem brevemente.
Pesquisadores, incluindo o Dr. Marcus Lauer, da Universidade de Tecnologia de Swinburne, investigaram esse quebra-cabeça quântico de longa data estudando um magnetar, um tipo raro de estrela de nêutrons que possui os campos magnéticos mais fortes conhecidos no universo.
Suas observações podem representar a primeira detecção de birrefringência de vácuo ocorrendo no campo magnético extremamente forte de um magnetar. Se confirmado, o resultado poderá dar aos cientistas uma nova maneira de explorar o mundo quântico. Essas descobertas foram publicadas recentemente em natureza.
Quão fortes campos magnéticos podem alterar a luz
De acordo com esta teoria, um campo magnético extremamente forte pode afetar o mar virtual de partículas associadas ao vácuo. Nestas condições, espera-se que as partículas afetem a forma como a luz viaja, refratando-a de uma forma particular, criando birrefringência no vácuo.
Os ímãs oferecem uma rara oportunidade de procurar esse efeito porque seus campos magnéticos são fortes o suficiente para tornar o comportamento quântico previsto potencialmente observável.
Lauer fez parte de uma equipe de pesquisa internacional que estudou o magnetar 1E 1547.0-5408 (ou 1E1547, abreviadamente) com a sonda Imaging X-ray Polarimeter (IXPE) da NASA. Estas observações foram apoiadas pelo Telescópio de raios X NICER na Estação Espacial Internacional e pelo Moriang, o Radiotelescópio Parkes do CSIRO, de propriedade da Agência Nacional de Ciência Australiana.
Observações de rádio coletadas pelo Dr. Lauer usando Moriang, seguidas de análises no supercomputador Nirgo Tyndbeck de Swinburne, ajudaram os pesquisadores a fazer a primeira detecção direta desse fenômeno quântico anteriormente teórico.
Embora a birrefringência a vácuo tenha sido prevista na década de 1930, o Dr. Lauer disse que os cientistas ainda não tinham chegado a um diagnóstico definitivo.
“A detecção da birrefringência no vácuo requer um campo magnético 100 milhões de vezes mais forte do que qualquer outro que já tenhamos criado na Terra. Felizmente, a natureza forneceu-nos magnetares, que são laboratórios cósmicos perfeitos para procurar este efeito,” disse o Dr.
Um ímã com geometria de visualização ideal
Os pesquisadores acompanharam cuidadosamente como as ondas de rádio provenientes do magnetar mudavam de direção à medida que a estrela girava (seu “estado de polarização”). A partir dessas medições, eles determinaram que os eixos magnético e de rotação de 1E 1547 estão aproximadamente alinhados. O magnetar também é visto de uma perspectiva quase voltada para o pólo.
Juntas, estas características dão aos cientistas uma visibilidade invulgarmente favorável para a busca pelo vácuo duplo em torno de 1E 1547.
A equipe encontrou então duas pistas importantes para o efeito quântico. Os raios X produzidos pelo magnetar e detectados pelo IXPE mostraram níveis muito elevados de polarização. Além disso, a direção dessa polarização está ligada ao campo magnético de 1E1547, como visto em observações de rádio.
“Devido à força do campo magnético, as partículas virtuais de Heisenberg alinham-se na direção apontada pelo campo”, disse o Dr.
Ao rastrear com precisão a direção das ondas de rádio e dos raios X que oscilam à medida que o magnetar gira, a equipe descobriu que o alinhamento dos pólos magnéticos e rotacionais de 1E1547 é ideal para detectar birrefringência no vácuo.
Aproximando-se de um mistério quântico de 90 anos
Se esta interpretação for confirmada, o resultado poderá ajudar os físicos a testar como as teorias bem estabelecidas da física quântica se comportam sob algumas das condições mais extremas encontradas em qualquer lugar do universo.
Mais observações e simulações computacionais mais avançadas poderiam ajudar a determinar se o sinal realmente vem da birrefringência do vácuo, disse o Dr. Lauer. Estes desenvolvimentos deverão tornar mais fácil aos investigadores distinguir a assinatura quântica prevista de outros processos físicos que ocorrem em torno dos magnetares.
“Com estes dados futuros e as nossas simulações atualizadas, poderemos finalmente completar o esforço que Heisenberg iniciou há quase 90 anos.”
Artigo intitulado “Vacuum Double Breakdown and Polarized X-ray Emission of a Radiomagnetar” em natureza.
