Metamorfose Quântica: Desvendando o Fenômeno Intrigante dos Raios-X Magnetares

Um “belo efeito” previsto pela eletrodinâmica quântica (QED) pode fornecer uma explicação para os desconcertantes avistamentos iniciais de raios-X polarizados irradiando de um magnetar – um tipo de estrela de nêutrons caracterizada por um campo magnético imensamente poderoso, de acordo com um astrofísico de Cornell.

O astrofísico Dong Lai teoriza que um efeito de eletrodinâmica quântica (QED) chamado “metamorfose de fótons” é responsável por observações inesperadas de polarização de raios-X de um magnetar, uma estrela de nêutrons com um intenso campo magnético. A teoria de Lai sugere que os fótons de raios-X que passam pela atmosfera magnetizada do magnetar podem se transformar temporariamente em pares de elétrons e pósitrons “virtuais”, levando a polarizações diferentes para raios-X de baixa e alta energia. 

O remanescente extremamente denso e quente de uma estrela massiva, equipado com um campo magnético que supera o da Terra em 100 trilhões de vezes, foi previsto para produzir raios-X distintamente polarizados. Isso significa que o campo eletromagnético da radiação não vibra aleatoriamente, mas tem uma direção preferencial.

Mas os cientistas ficaram surpresos quando o satélite Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) da NASA detectou no ano passado que os raios-X de baixa e alta energia eram polarizados de maneira diferente, com campos eletromagnéticos orientados em ângulos retos entre si.

O fenômeno pode ser explicado naturalmente como resultado da “metamorfose do fóton” – uma transformação dos fótons de raios-X que foi teorizada, mas nunca observada diretamente, disse Dong Lai, Ph.D. ’94, o Benson Jay Simon ’59, MBA ’62, e Mary Ellen Simon, M.A. ’63, Professora de Astrofísica na Faculdade de Artes e Ciências.

“Nesta observação da radiação de um objeto celeste distante, vemos um belo efeito que é uma manifestação da física fundamental e intrincada”, disse Lai. “O QED é uma das teorias físicas de maior sucesso, mas não havia sido testado em condições de campo magnético tão fortes.”

Lai é o autor de um estudo recente publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

A pesquisa baseia-se nos cálculos de Lai e Wynn Ho, Ph.D. ’03, publicado há 20 anos, incorporando observações da NASA relatadas em novembro passado do magnetar 4U 0142+61, localizado a 13.000 anos-luz de distância na constelação de Cassiopeia.

A eletrodinâmica quântica, que descreve interações microscópicas entre elétrons e fótons, prevê que, à medida que os fótons de raios X saem da fina atmosfera de gás quente magnetizado ou plasma da estrela de nêutrons, eles passam por uma fase chamada ressonância de vácuo.

Lá, disse Lai, os fótons, que não têm carga, podem se converter temporariamente em pares de elétrons e pósitrons “virtuais” que são influenciados pelo campo magnético superforte do magnetar mesmo no vácuo, um processo chamado “birrefringência a vácuo”. Combinado com um processo relacionado, a birrefringência do plasma, são criadas condições para que a polaridade dos raios X de alta energia oscile 90 graus em relação aos raios X de baixa energia, de acordo com a análise de Lai. 

“Você pode pensar na polarização como dois tipos de fótons”, disse ele. “Um fóton se convertendo repentinamente de um sabor para outro – você normalmente não vê esse tipo de coisa. Mas é uma consequência natural da física se você aplicar a teoria nessas condições extremas.”

A missão IXPE não viu a oscilação da polarização nas observações de outro magnetar, chamado 1RXS J170849.0-400910, com um campo magnético ainda mais forte. Lai disse que isso é consistente com seus cálculos, que sugerem que a ressonância do vácuo e a metamorfose do fóton ocorreriam muito profundamente dentro de uma estrela de nêutrons.

Lai disse que sua interpretação das observações do IXPE do magnetar 4U 0142+61 ajudou a restringir seu campo magnético e rotação, e sugeriu que sua atmosfera provavelmente era composta de elementos pesados parcialmente ionizados.

O estudo contínuo dos raios X de alguns dos objetos mais extremos do universo, incluindo estrelas de nêutrons e buracos negros, disse ele, permite que os cientistas investiguem o comportamento da matéria em condições que não podem ser replicadas em laboratórios e aumentam nossa compreensão de a beleza e a diversidade do universo.

“As observações do IXPE abriram uma nova janela para estudar o ambiente de superfície das estrelas de nêutrons”, disse Lai. “Isso levará a novos insights sobre esses objetos enigmáticos.”

Fonte: scitechdaily.com