Um efeito inesperado observado nos destroços de uma supernova pode ser causado por uma estrela de nêutrons altamente magnetizada, ou magnetar, e por uma atividade quântica nunca antes vista.
Como todas as estrelas de nêutrons, os magnetares se formam quando estrelas massivas terminam suas vidas em um colapso que também desencadeia uma explosão massiva de supernova. A matéria que compõe as estrelas de nêutrons é tão densa que um cubo de açúcar pesaria mais de um bilhão de toneladas na Terra. Os campos magnéticos em torno desses remanescentes estelares são os mais poderosos do universo conhecido, muitas vezes 100 trilhões de vezes mais fortes que o do nosso planeta.
Como tais estrelas de nêutrons e magnetares representam os objetos celestes mais extremos, a investigação deles é vital para uma melhor compreensão do universo. O novo estudo, publicado em 18 de abril na revista Anais da Academia Nacional de Ciências (abre em nova aba)examina os remanescentes que cercam as sobras da supernova de Cassiopeia A. A explosão foi visível para a Terra 340 anos atrás.
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Os astrônomos sempre suspeitaram que os magnetares gerariam raios-X altamente polarizados ao seu redor, o que significa que o campo eletromagnético da radiação dos magnetares vibra em uma direção preferida.
Mas os cientistas ficaram surpresos em 2022, quando os dados coletados pelo satélite Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) da NASA, lançado no ano anterior, mostraram que a polarização pode depender da energia. As informações do IXPE sugeriram que esse pode ser o caso depois de observar os raios-X no remanescente de supernova Cassiopeia A em torno do magnetar 4U 0142+61, localizado a 13.000 anos-luz de distância.
Como a primeira medição da polarização dos raios X em torno de um magnetar, as observações do IXPE mostraram que os raios X de energia mais baixa foram polarizados a 180 graus em relação aos raios X de alta energia. Ambos os conjuntos de raios energéticos foram orientados a 90 graus em relação ao campo eletromagnético do magnetar.
“Metamorfose de fótons”, que significa a transformação de fótons de raios-X em elétrons e pósitrons, pode ser capaz de explicar o estranho comportamento dos raios-X em torno de magnetares, disse Dong Lai, professor de astrofísica da Cornell University. em uma declaração de 4 de maio (abre em nova aba). A “metamorfose do fóton” é um elemento da eletrodinâmica quântica (QED), que é um campo da física que examina as interações subatômicas entre elétrons e fótons.
“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 foi testado em condições de campo magnético tão fortes.”
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O QED prevê que, à medida que os fótons de raios-X deixam a tênue atmosfera do plasma circundante de uma estrela de nêutrons – gás quente e magnetizado – os fótons passam por uma fase chamada ressonância de vácuo.
Lai disse que nesta fase, os fótons que não têm carga elétrica podem se converter em um par virtual de partículas (um elétron e um pósitron) que têm cargas iguais e opostas, mas ainda se combinam em uma carga líquida zero. Por terem uma carga, no entanto, essas partículas são influenciadas pelo poderoso campo magnético do magnetar. A polaridade poderia, portanto, fazer com que os raios X de alta energia oscilassem 90 graus em relação aos raios X de baixa energia.
“Você pode pensar na polarização como dois tipos de fótons”, continuou Lai. “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.”
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Quando o IXPE examinou outro magnetar chamado 1RXS J170849.0–400910, com um campo magnético ainda mais poderoso, o mesmo “swing” na polarização dos raios X de baixa e alta energia não foi detectado. Lai disse que seus cálculos podem explicar isso; eles sugerem que a ressonância do vácuo e a metamorfose do fóton ocorreriam muito profundamente dentro de uma estrela de nêutrons.
Além de explicar potencialmente a estranha polarização dos raios-X observada em torno de 4U 0142+61, Lai disse que sua interpretação dos dados do IXPE ajuda a restringir a força de seu campo magnético e a taxa em que ele gira. As descobertas também sugerem que a atmosfera deste magnetar é composta em parte por elementos pesados ionizados.
Lai disse que o estudo de estrelas de nêutrons ajuda os cientistas a entender melhor a física da matéria em condições que nunca poderiam ser simuladas na Terra, o que significa que aumenta nossa compreensão da beleza e 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.”
