Os primeiros sinais de propriedades quânticas estranhas do espaço vazio?

Ao  estudar a luz emitida por uma estrela de nêutrons extremamente densa e fortemente magnetizada utilizando o Very Large Telescope do ESO, os astrônomos podem ter encontrado as primeiras indicações de observação de um efeito quântico estranho, previstos primeiramente na década de 1930. A polarização da luz observada sugere que o espaço vazio à volta da estrela de nêutrons é sujeito a um efeito quântico conhecido como birrefringência de vácuo. 

Uma equipe liderada por Roberto Mignani do INAF Milão (Itália) e da Universidade de Zielona Gora (Polônia), usando o Very Large Telescope do ESO (VLT) do Observatório Paranal no Chile para observar a estrela de nêutrons RX J1856.5-3754, a 400 anos-luz da Terra.

Apesar de estar entre as mais próximas estrelas de nêutrons, sua extrema escuridão significava que os astrônomos só podiam observar a estrela com luz visível utilizando o instrumento FORS2 no VLT, nos limites da tecnologia de telescópio atual.

Estrelas de nêutrons são os núcleos remanescentes muito densos de estrelas maciças, pelo menos 10 vezes mais massivas que nosso Sol - que explodiram como supernovas nas extremidades das suas vidas. Eles também têm campos magnéticos extremos, milhares de milhões de vezes mais forte que a do Sol, que permeiam a sua superfície exterior e arredores.

Estes campos são tão fortes que até mesmo afetar as propriedades do espaço vazio em torno da estrela. Normalmente, um vácuo é pensado como completamente vazio, e a luz pode viajar através dele sem ser alterado. Mas, na eletrodinâmica quântica (QED), a teoria quântica que descreve a interação entre fótons e partículas carregadas como elétrons, o espaço é cheio de partículas virtuais que aparecem e desaparecem o tempo todo. Campos Magnéticos muito fortes podem modificar este espaço para que ele afete a polarização da luz que passa através dele.

Mignani explica: "De acordo com QED, um vácuo altamente magnetizado se comporta como um prisma para a propagação de luz, um efeito conhecido como birrefringência do vácuo."

Entre as muitas previsões da QED, no entanto, somente a birefringência do vácuo precisava de uma demonstração experimental direta. As tentativas de detectá-la no laboratório foram falhas, desde os anos 80, quando ela foi prevista num artigo de Werner Heisenberg (do famoso princípio da incerteza) e Hans Heinrich Euler.

Esta imagem de campo amplo mostra o céu em torno da estrela de nêutrons muito fraca RX J1856.5-3754 na constelação de Corona Australis. Esta parte do céu também contém regiões interessantes de nebulosidade escura e brilhante em torno da estrela variável R Corona Australis (superior esquerdo), bem como o aglomerado globular NGC 6723. A estrela de nêutrons em si é muito fraco para ser vista aqui, mas ela está em alguma região muito próxima do centro da imagem. Crédito: ESO

"Este efeito pode ser detectado apenas na presença de campos magnéticos enormemente fortes, como aqueles em torno de estrelas de nêutrons. Isso mostra, mais uma vez, que as estrelas de nêutrons são laboratórios de valor inestimável para estudar as leis fundamentais da natureza." diz Roberto Turolla (Universidade de Pádua, Itália).

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

Vincenzo Testa (INAF, Roma, Itália) comenta: "Este é o objeto mais fraco para o qual a polarização já foi medido É necessário um dos telescópios maiores e mais eficientes do mundo, o VLT, e técnicas de análise de dados precisos para melhorar a. sinal de um fraco estrela tal. "

"A polarização linear elevada que medimos com o VLT não pode ser facilmente explicada pelos nossos modelos, a menos que os efeitos birefringentes do vácuo previstos pela QED estão incluídos", acrescenta Mignani.

"Este estudo VLT é o primeiro suporte observacional para as previsões destes tipos de efeitos QED's decorrentes extremamente de fortes campos magnéticos", observa Silvia Zane (UCL/MSSL, UK).

Mignani está animado com novas melhorias nesta área de estudo que poderiam acontecer com os telescópios mais avançados: "medições de polarização com a próxima geração de telescópios, como o European Extremely Large Telescope do ESO, poderia desempenhar um papel crucial no teste  previsões QED de birrefringência de vácuo efeitos em torno de muitos mais estrelas de nêutrons".

"Esta medição, feita pela primeira vez já em luz visível, também abre o caminho para medições semelhantes serem realizadas em comprimentos de onda de raios X," adiciona Kinwah Wu (UCL/ SSL, Reino Unido).

Este trabalho foi apresentado no documento intitulado "Evidência para birefringência de vácuo da primeira medição da polarimetria óptica da estrela de nêutrons isolada RX J1856.5-3754", por R. Mignani et al., no Monthly Notices da Royal Astronomical Society .