Teste mais preciso já feito do eletromagnetismo

Michael Murphy - The Conversation - 11/11/2022

A equipe usou dados de 17 estrelas gêmeas da nossa para testar a constante α.
[Imagem: NASA]

Constante de estrutura fina

Há um problema estranho e irritante com nossa compreensão das leis da natureza que os físicos tentam explicar há décadas. É sobre o eletromagnetismo, a lei de como os átomos e a luz interagem, o que explica tudo, desde por que você não cai através do chão até por que o céu é azul.

Nossa teoria do eletromagnetismo é sem dúvida a melhor teoria física que os humanos já fizeram - mas ela não tem resposta para o porquê de o eletromagnetismo ser tão forte quanto é. Apenas experimentos podem lhe dizer a intensidade do eletromagnetismo, que é medida por um número chamado α (alfa, ou constante de estrutura fina).

O físico norte-americano Richard Feynman, que ajudou a desenvolver a teoria, chamou isso de "um dos maiores malditos mistérios da física" e exortou os físicos a "colocar esse número em seus quadros negros e se preocupar com isso".

Em uma pesquisa recém-publicada na revista Science, decidimos testar se α é o mesmo em diferentes lugares da nossa galáxia estudando estrelas que são gêmeas quase idênticas do nosso Sol. Se α é diferente em diferentes lugares, isso pode nos ajudar a encontrar a teoria final, não apenas do eletromagnetismo, mas de todas as leis da natureza juntas - a "teoria de tudo".

O arco-íris do Sol: A luz do Sol aqui está espalhada em fileiras separadas, cada uma cobrindo apenas uma pequena gama de cores, para revelar as muitas linhas escuras de absorção dos átomos na atmosfera do Sol.
[Imagem: N.A. Sharp/KPNO/NOIRLab/NSO/NSF/AURA]

Queremos quebrar nossa teoria favorita

Os físicos realmente querem uma coisa: Uma situação em que nossa compreensão atual da física se desfaça. Uma nova física. Um sinal que não possa ser explicado pelas teorias atuais. Um poste de sinalização para a teoria de tudo.

Para encontrá-lo, eles podem esperar no subsolo de uma mina de ouro para que partículas de matéria escura colidam com um cristal especial. Ou eles podem vigiar cuidadosamente os melhores relógios atômicos do mundo por anos para ver se eles mostram o tempo ligeiramente diferente. Ou esmagar prótons (quase) à velocidade da luz no anel de 27 km do Grande Colisor de Hádrons.

O problema é que é difícil saber onde procurar. Nossas teorias atuais não conseguem nos guiar.

Claro, procuramos em laboratórios na Terra, onde é mais fácil pesquisar minuciosamente e com mais precisão. Mas isso é um pouco como o bêbado procurando suas chaves perdidas apenas debaixo de um poste de luz quando, na verdade, ele poderia tê-las perdido do outro lado da estrada, em algum canto escuro.

Gases mais quentes e mais frios borbulhando através das atmosferas turbulentas das estrelas torna difícil comparar as linhas de absorção nas estrelas com as observadas em experimentos de laboratório.
[Imagem: NSO/AURA/NSF]

As estrelas são infernais, mas às vezes terrivelmente semelhantes

Nós decidimos olhar além da Terra, além do nosso Sistema Solar, para ver se estrelas que são gêmeas quase idênticas do nosso Sol produzem o mesmo arco-íris de cores. Átomos nas atmosferas das estrelas absorvem parte da luz que tenta escapar das fornalhas nucleares em seus núcleos.

Apenas certas cores são absorvidas, deixando linhas escuras no arco-íris. Essas cores absorvidas são determinadas por α - portanto, medir as linhas escuras com muito cuidado também nos permite medir α.

O problema é que as atmosferas das estrelas estão se movendo - fervendo, girando, dando voltas, arrotando - e isso altera as linhas. As alterações arruínam qualquer comparação com as mesmas linhas em laboratórios na Terra e, portanto, qualquer chance de medir α. As estrelas, ao que parece, são lugares terríveis para testar o eletromagnetismo.

Mas nos perguntamos: Se você encontrar estrelas muito semelhantes - gêmeas umas das outras - talvez suas cores escuras e absorvidas também sejam semelhantes. Então, em vez de comparar estrelas com laboratórios na Terra, nós comparamos gêmeas do nosso Sol umas com as outras.

O telescópio de 3,6 metros do ESO no Chile passa grande parte do seu tempo observando estrelas semelhantes ao Sol para procurar planetas, usando seu espectrógrafo extremamente preciso, o HARPS.
[Imagem: Iztok Bonina/ESO]

Um novo teste com gêmeos solares

Nossa equipe de estudantes, pós-doutorandos e pesquisadores seniores, das universidades Swinburne de Tecnologia e Nova Gales do Sul [Austrália], mediram o espaçamento entre pares de linhas de absorção no nosso Sol e em 16 gêmeas solares - estrelas quase indistinguíveis do nosso Sol.

Os arco-íris dessas estrelas foram observados no telescópio de 3,6 metros do Observatório Europeu do Sul (ESO) no Chile. Embora não seja o maior telescópio do mundo, a luz que ele coleta entra naquele que provavelmente é o espectrógrafo mais bem controlado e mais bem compreendido: o HARPS. Ele separa a luz em suas cores, revelando o padrão detalhado de linhas escuras.

O HARPS passa a maior parte do seu tempo observando estrelas parecidas com o Sol para procurar planetas. Muito convenientemente, isso nos deu um baú do tesouro com exatamente os dados de que precisávamos.

A partir desses espectros requintados, nós mostramos que α era o mesmo nas 17 gêmeas solares com uma precisão surpreendente: Exatamente 50 partes por bilhão. Isso é como comparar sua altura com a circunferência da Terra. É o teste astronômico mais preciso de α já realizado.

Infelizmente, nossas novas medições não quebraram nossa teoria favorita. Mas as estrelas que estudamos estão todas relativamente próximas, a apenas 160 anos-luz de distância.

Os dados não foram suficientes para desfazer a "maldição de Feynman".
[Imagem: Michael T. Murphy et al. - 10.1126/science.abi9232]

O que vem a seguir?

Recentemente, identificamos novos gêmeos solares muito mais distantes, a meio caminho do centro da nossa Via Láctea.

Nessa região, deve haver uma concentração muito maior de matéria escura - uma substância elusiva que os astrônomos acreditam espreitar por toda a galáxia e além. Tal como α, nós sabemos muito pouco sobre a matéria escura, e alguns físicos teóricos sugerem que as partes internas da nossa galáxia podem ser exatamente o canto escuro onde devemos procurar por conexões entre esses dois "malditos mistérios da física".

Se pudermos observar esses sóis muito mais distantes com os maiores telescópios ópticos, talvez encontremos as chaves para o Universo.

Este artigo foi republicado da revista The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

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