Usando um telescópio para estudar eletrodinâmica quântica

Marcelo M. Guimarães
11/12/2016

Impressão artística mostrando como a luz originada na superfície de uma estrela de nêutrons (à esquerda) é linearmente polarizada à medida que atravessa o espaço em direção à Terra (à direita). Nos dois quadros menores podemos ver um modelo computacional que mostra como a polarização da luz é modifica pelo intenso campo magnético, os vetores vermelhos representam o campo magnético e os vetores azuis o campo elétrico. [1]
Impressão artística mostrando como a luz originada na superfície de uma estrela de nêutrons (à esquerda) é linearmente polarizada à medida que atravessa o espaço em direção à Terra (à direita). Nos dois quadros menores podemos ver um modelo computacional que mostra como a polarização da luz é modifica pelo intenso campo magnético, os vetores vermelhos representam o campo magnético e os vetores azuis o campo elétrico. [1]
A mecânica quântica surgiu no início do século 20 para nos ajudar a entender o comportamento de coisas muito pequenas, como elétrons, átomos, moléculas e a própria luz. Ao longo das décadas iniciais do século 20 uma série de modelos e ideias foram propostos, cada vez aumentando o escopo de fenômenos capazes de serem explicados por essa teoria. Simultaneamente, a relatividade restrita, teoria necessária para estudar coisas que se movem muito rápido, quebrava paradigmas da época de Newton e nos abria um universo mais rico em fenômenos do que jamais havíamos imaginado. Da união dessas teorias nasceu a Eletrodinâmica Quântica (EDQ), necessária para explicar o comportamento de coisas muito pequenas que se movem próximo da velocidade da luz.

Além de nos auxiliar no entendimento da interação da luz com a matéria, a EDQ nos trouxe uma grande surpresa quando analisada em conjunto com o princípio de incerteza de Heisenberg; a vivicidade do vácuo quântico. O espaço vazio, longe de estar vazio, é populado por partículas virtuais, criadas e aniquiladas em intervalos de tempo tão curtos que o princípio de conservação de energia-massa é obedecido dentro dos limites da incerteza de Heisenberg.

Em 1936, Werner Heisenberg (o próprio) junto com Hans H. Euler, previram [2], usando EDQ, que sob a influência de campos magnéticos muito intensos, as propriedades do vácuo seriam afetadas, mudando assim a maneira com que a luz se propaga no espaço. Esse efeito ficou conhecido como birrefringência do vácuo e nunca foi comprovado experimentalmente em nenhum laboratório nos últimos 80 anos.

Nesse momento, entra na história o grupo liderado por Roberto Mignani do INAF (Instituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano), que utilizando o Very Large Telescope, conseguiu medir a polarização da luz proveniente de uma estrela de nêutrons [3].

A estrela de nêutrons em questão faz parte do conjunto conhecido como Magnificent Seven, que são 7 estrelas de nêutrons isoladas, sem emissão em rádio, com espectro de emissão puramente térmico e muito próximo de um corpo negro, descobertas através de observações em raios X de baixa energia na década de 1990. Estrelas de nêutrons são os restos finais de estrelas massivas que explodiram em supernovas e são objetos muito pouco brilhantes, difíceis de serem estudados na região óptica do espectro eletromagnético.

Dentre as 7 estrelas desse conjunto, a equipe escolheu o objeto designado como RX J1856.5-3754, que é o membro mais brilhante (V ~ 25.5), é uma das estrelas de nêutrons mais próximas do Sol (400 anos-luz), é a mais jovem do grupo (420 mil anos), possui um campo magnético da ordem de 1013 G, tem massa aproximada de 1,5 massas solares e um raio de 12 km. É graças a esse enorme campo magnético que as propriedades do vácuo se alteram, fazendo com que ele atue como se fosse um prisma, dando origem ao efeito da birrefringência.

Para conseguir obter medidas da polarização linear na região do óptico foi necessário usar o espectrógrafo FORS2 montado em um dos telescópios do VLT.

Depois de um trabalho cuidadoso para remover quaisquer contaminações possíveis, a equipe conseguiu medir um grau de polarização linear maior que 16%, que é um valor muito alto. Os modelos teóricos só conseguem explicar os resultados se os efeitos da birrefringência do vácuo, previstos pela EDQ, forem levados em conta.

Em 1936, Heisenberg e Euler utilizaram a teoria física mais avançada da época, a Eletrodinâmica Quântica, para prever que campos magnéticos muito intensos afetariam as propriedades físicas do vácuo. Oitenta anos depois, utilizando os telescópios e instrumentos mais avançados disponíveis, no limite de sua detecção, aliados a modernos modelos computacionais que utilizam a relatividade geral e EDQ, usando uma estrela de nêutrons como laboratório, foi possível comprovar essa espantosa previsão.

[1] Crédito da imagem: ESO/L. Calçada / Creative Commons. URL: http://www.eso.org/public/images/eso1641a/.

[2] W Heisenberg & H Euler.  Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons. Z Physik 98, 714 (1936).

[3] RP Mignani et al. Evidence for vacuum birefringence from the first optical-polarimetry measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 465, 492 (2016).

Como citar este artigo: Marcelo M. Guimarães. Usando um telescópio para estudar eletrodinâmica quântica. Saense. URL: http://www.saense.com.br/2016/12/usando-um-telescopio-para-estudar-eletrodinamica-quantica/. Publicado em 11 de dezembro (2016).

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Marcelo M. Guimarães

Marcelo M. Guimarães

Doutor em Física. Professor da Universidade Federal de Sergipe. Escreve sobre Astrofísica no Saense.

One thought on “Usando um telescópio para estudar eletrodinâmica quântica”

  1. Magnífico saber que o movimento de partículas no vácuo podem ser alteradas devido ao campo magnético , acredito que a (EDQ) tem muito à contribuir para o estudo de movimento de partículas que são incomuns ao estudo clássico .
    Artigo sensacional .

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