Vácuo quântico atua na rotação dos pulsares

A resistência ao movimento oferecida pelo vácuo pode estar desacelerando a rotação ultrarrápida das estrelas de nêutrons que constituem os pulsares.

© NASA (ilustração de um pulsar)

A instigante hipótese, resultante de um estudo realizado pelos pesquisadores brasileiros: Jaziel Goulart Coelho, pós-doutorando do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), Jonas Pedro Pereira, atualmente pós-doutorando da Universidade Federal do ABC (UFABC), e José Carlos Neves de Araújo, pesquisador titular do INPE.

As observações astronômicas informam que, a cada segundo, o período de rotação dos pulsares atrasa de um centésimo trilionésimo (10^-14) a um décimo trilionésimo (10^-13) de segundo. O mecanismo clássico de perda de energia, por radiação de dipolo magnético, não é suficiente para explicar esse atraso. É preciso considerar algo mais. Este estudo possibilitou concluir que esse componente adicional poderia ser a frenagem exercida pela fricção do vácuo quântico.

Na mecânica quântica o vácuo não é realmente vazio, mas permeado por flutuações. Neste meio, extremamente dinâmico, flutuações locais de potencial produzem o tempo todo pares de partículas e antipartículas, que se aniquilam em seguida. Assim, por mais tênue que possa ser o espaço interestelar, seu efeito sobre corpos altamente compactos em rotação, como as estrelas de nêutrons, não seria negligenciável.

Já foram identificados cerca de 2 mil pulsares. Mas, devido a grandes dificuldades no processo de observação, apenas nove deles têm os seus parâmetros bem estabelecidos.

Os pesquisadores reuniram os dados relativos a estes nove pulsares, registrados na literatura, utilizando conceitos da física fundamental. Eles constataram que, além da perda de energia devida à radiação eletromagnética, um outro fator poderia estar contribuindo para a desaceleração do movimento de rotação: a fricção do vácuo quântico.

Os períodos de rotação dos pulsares, bem como suas variações temporais, são determinados observacionalmente. A partir deles, é possível calcular o chamado índice de frenagem, caracterizado pelo atraso de 10^-14 a 10^-13 segundo por segundo. Para explicar este índice, os pesquisadores combinaram dois mecanismos de perda de energia: a radiação de dipolo magnético clássica e a fricção do vácuo quântico.

Nota-se que a produção de calor está intrinsecamente associada à fricção do vácuo quântico. Esta é uma das consequências da interação de um campo magnético muito forte com um meio supermagnetizado. O calor surge do atrito do vácuo com a superfície da estrela, da mesma forma que o movimento de uma pá na água por um longo tempo pode aquecê-la.

Aqui, convém apresentar um resumo do estado atual dos conhecimentos acerca dos pulsares. A primeira observação de um objeto desse tipo foi feita em 1967 pela astrofísica irlandesa Jocelyn Bell, que então realizava sua pesquisa de doutorado. O objeto, localizado na Nebulosa do Caranguejo, foi detectado como fonte de uma emissão eletromagnética, na faixa de frequências do rádio, constituída por pulsos extremamente regulares, tão regulares que chegou a se cogitar, na época, que poderiam ser provenientes de uma civilização extraterrestre.

Sabe-se agora que esses pulsos são produzidos por estrelas de nêutrons em rotação. Estas constituem o estágio terminal do ciclo evolutivo de estrelas que iniciaram suas vidas com massas da ordem de grandeza de oito a 25 massas solares. Em um dado momento de sua evolução, tais estrelas explodem como supernovas, ejetando ao meio exterior a maior parte do material que as constitui. Depois, tendo-se encerrado o processo de fusão nuclear, cuja pressão de dentro para fora contrabalançava a atração gravitacional, o material remanescente entra em colapso e começa a se compactar cada vez mais. A contração gravitacional é tanta que os elétrons se fundem com os prótons dando origem a nêutrons, altamente aglutinados. Forma-se, assim, uma estrela de nêutrons, cuja densidade é cerca de 10¹⁵ g/cm³. Isso significa que cada centímetro cúbico da estrela tem 100 milhões de toneladas de massa! Massas equivalentes a uma vez e meia a massa do Sol se comprimem em esferas com não mais de 20 quilômetros de raio.

Uma das consequências da contração é que a estrela passa a girar cada vez mais rápido. Isso se deve a uma regularidade no comportamento da matéria que recebe em física o nome de “princípio de conservação do momento angular”. O momento angular relaciona a massa, o quadrado do raio e a velocidade angular. Como a massa e o raio diminuem drasticamente, é preciso que a velocidade angular aumente muito para que o momento angular se mantenha constante. Existem pulsares extremamente rápidos, com períodos de rotação da ordem do milissegundo (10^-3 s); pulsares intermediários, com períodos que vão do centésimo ao décimo de segundo (10^-2 a 10^-1 s); e pulsares mais lentos, com períodos de um a dez segundos (10⁰ a 10 s).

Outra consequência da contração é que o campo magnético da estrela se intensifica tremendamente. Isso decorre do chamado “princípio de conservação de fluxo”. Uma vez que a área da superfície do astro diminui, para que o fluxo magnético se conserve, o campo deve crescer com o quadrado da razão entre o raio anterior e o raio resultante. Assim, o campo magnético das estrelas de nêutrons pode atingir valores da ordem de cem milhões (10⁸) a um quatrilhão (10¹⁵) de Gauss. Para efeito de comparação, a magnitude do campo magnético na superfície da Terra é da ordem de 0,25 a 0,65 Gauss.

Embora os primeiros pulsares tenham sido detectados na faixa do rádio, as estrelas de nêutrons emitem em todas as frequências do espectro eletromagnético: rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X, raios gama. Porém, só podem ser percebidas como pulsares, isto é, como objetos pulsantes, quando o eixo de seu campo magnético não coincide com o seu eixo de rotação. O motivo é que a emissão ocorre a partir dos polos magnéticos. Quando os eixos coincidem, o feixe de fótons aponta sempre na mesma direção. Quando não coincidem, o feixe de fótons varre diferentes regiões do espaço durante a rotação. Cada vez que ele aponta para o observador terrestre, isso é percebido como um pulso. O fenômeno é parecido com o dos pulsos luminosos emitidos pelos faróis que orientam os navios.

Este estudo possibilitou prever a inclinação do campo magnético do pulsar em relação ao eixo de rotação e também a evolução do campo magnético ao longo do tempo. No cenário clássico, de radiação de dipolo magnético puro, o campo deve aumentar de forma a explicar os índices de frenagem observados.

Segundo os pesquisadores, a fricção do vácuo quântico tornar-se-ia especialmente relevante em pulsares com campos magnéticos muito intensos, de 10¹² a 10¹³ Gauss, e que, por já terem perdido bastante rotação, apresentem períodos mais longos, de um a 10 segundos.

Ao considerar a fricção do vácuo quântico, este estudo acrescentou um importante elemento ao modelo clássico de transferência de energia dos pulsares, baseado apenas na radiação eletromagnética. Mas os pesquisadores estão realizando agora um terceiro mecanismo de transferência, que é o da emissão de ondas gravitacionais.

Fonte: The Astrophysical Journal