Estrela de nêutrons pode acordar o vácuo quântico

Don Monroe - Physical Review Letters - 04/10/2010

Teoria desenvolvida por físicos brasileiros prevê que a energia do espaço vazio ao redor de uma estrela de nêutrons (ponto brilhante no centro, circundado pelos restos da supernova) pode superar a energia da massa da estrela.
[Imagem: NASA/CXC/CfA/P. Slane et al.]

Embora o vazio espacial esteja repleto de campos quânticos, o efeito destes é geralmente muito sutil.

Mas um grupo de físicos brasileiros demonstrou que, sob determinadas condições - como durante a formação de uma estrela de nêutrons - esses campos podem crescer a ponto de ofuscar qualquer matéria existente nas redondezas.

Uma exploração mais profunda de como este "despertar do vácuo" produz efeitos poderá mudar o entendimento atual de alguns eventos astrofísicos.

A descoberta é destaque na última edição da revista Physical Review Letters, a mais importante publicação científica no campo da física.

Vácuo quântico

O espaço vazio é preenchido com uma espécie de fundo quântico fantasmagórico, formado por ondas de todas as frequências possíveis. Nisto se incluem não apenas as ondas do eletromagnetismo e das outras forças, mas também ondas representando partículas, como os elétrons.

A quantidade de energia nestas ondas é pequena, mas nunca é igual a zero, como uma corda, que sempre apresenta alguma vibração, nunca estando completamente parada e esticada.

William Lima e Daniel Vanzella, da USP de São Carlos, resolveram estudar como a gravidade afeta essa energia contida no espaço vazio - ou no vácuo quântico.

Teoria quântica de campos em espaçotempos curvos

Como não existe uma teoria quântica completa da gravidade, eles usaram uma abordagem já bem aceita, chamada teoria quântica de campos em espaçotempos curvos (QFTCS).

Esta técnica utiliza a mecânica quântica padrão para descrever todos os campos, exceto a gravidade, e, em seguida, inclui os efeitos gravitacionais de um modo diferente.

Segundo a relatividade geral, a força gravitacional surge quando o espaçotempo comum é distorcido, ou curvado, pela presença de massa e energia. Assim, a QFTCS usa esse espaçotempo relativista, em vez do espaço e tempo comuns, para os cálculos quânticos.

Os físicos brasileiros não analisaram todos os campos possíveis, apenas o tipo mais simples, chamado de campo escalar. Este campo é genérico - ele poderia ser uma versão simplificada do campo eletromagnético, ou poderia representar uma partícula ainda desconhecida.

Seguindo a prática padrão, eles deixaram sem especificação um parâmetro-chave deste campo: o parâmetro de "acoplamento", que quantifica a atração ou a repulsão do campo às regiões altamente curvadas do espaçotempo.

Energia do vácuo

Em um artigo publicado em Abril, Vanzella e William Lima analisaram a energia do vácuo para um espaçotempo que começa com uma distribuição uniforme de massa no passado distante (espaçotempo plano) e depois evolui para concentrações fixas de massa (aglomerados) em um futuro distante.

A energia do vácuo resultante depende da massa e do tamanho dos aglomerados de matéria, e do parâmetro de acoplamento.

O resultado surpreendente foi que, para algumas combinações de valores, mesmo depois que a distribuição da massa pára de mudar, a energia do vácuo continua a crescer exponencialmente ao longo do tempo nas cercanias dos aglomerados - veja detalhes na reportagem Gravidade e vácuo podem criar monstro espacial quântico.

Eventualmente, a densidade da energia do vácuo nessas regiões ultrapassa a densidade de energia da matéria ordinária, de forma que o vazio começa a distorcer o espaçotempo ainda mais do que a matéria é capaz.

Efeitos gravitacionais do vácuo

Para ver se esse efeito importa na prática, Lima e Vanzella juntaram-se ao grupo de George Matsas, da UNESP (Universidade Estadual Paulista).

O resultado está neste artigo que acaba de ser publicado, que analisa um modelo de espaçotempo altamente curvado que emerge durante a formação de uma estrela de nêutrons ultra densa.

Para alguns valores razoáveis de massa e tamanho da estrela, eles preveem que, em alguns milissegundos, a energia do vácuo vai crescer para alguns valores do parâmetro de acoplamento.

Neste ponto, a energia do vácuo começa a induzir outros efeitos gravitacionais, que eles ainda não calcularam, de forma que ainda não sabem como a estrela seria afetada.

Se o prosseguimento da pesquisa mostrar que tal estrela de nêutrons fique instável, a existência de estrelas de nêutrons estáveis de tamanhos específicos pode descartar a existência dos campos do tipo modelado por eles - ou confirmar sua existência. Ou seja, a teoria poderia ser testada pela observação e medição das massas de estrelas de nêutrons.

Equações de Einstein

Vanzella adverte que o trabalho até agora não analisou como a crescente energia do vácuo modifica a curvatura do espaçotempo, nem quaisquer efeitos resultantes sobre a estrela de nêutrons.

"Até este momento eles não calcularam a solução numérica das equações de Einstein com a reação retornando sobre o campo, por isso ninguém sabe aonde isso vai dar," concorda Leonard Parker, da Universidade de Wisconsin, comentando o trabalho. "É um convite para mais investigação."

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