El vacío cuántico estaría desacelerando la rotación de los púlsares

Un estudio indica que la fricción que se produce debido al contacto con ese "vacuo" constituye uno de los mecanismos de pérdida de energía de esos cuerpos ultracompactos

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La resistencia al movimiento que ejerce el vacío puede estar desacelerando la rotación ultrarrápida de las estrellas de neutrones que constituyen los púlsares. Esta intrigante hipótesis, producto de un estudio realizado por científicos brasileños, surge de un artículo publicado en The Astrophysical Journal, intitulado “The influence of quantum vacuum friction on pulsars”. Y fue dada a conocer en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), bajo el título de “Friction of the vacuum could slow the rotation of pulsars”.

Jaziel Goulart Coelho, posdoctorando del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, por sus siglas en portugués), Jonas Pedro Pereira, actualmente posdoctorando en la Universidad Federal del ABC (UFABC), y José Carlos Neves de Araújo, investigador titular del Inpe, los tres autores del artículo, cuentan con el apoyo de la FAPESP en distintos proyectos. El estudio en cuestión se vincula especialmente con el trabajo de posdoctorado de Goulart Coelho, bajo la supervisión de Neves de Araújo, intitulado “Los magnetares y los púlsares de enanas brancas magnetizadas muy rápidas, masivas y extrañas y la generación de ondas gravitacionales”. A su vez, este trabajo está vinculado también con el proyecto Temático de la FAPESP intitulado “La materia superdensa en el Universo”, coordinado por Manuel Máximo Bastos Malheiro de Oliveira. 

“Las observaciones astronómicas indican que, segundo a segundo, el período de rotación de los púlsares se retrasa entre una centésima billonésima (10^-14) y una décima billonésima (10^-13) de segundo. El mecanismo clásico de pérdida de energía –por radiación de dipolo magnético– no es suficiente para explicar este retraso. Es necesario considerar algo más. Nuestro estudio nos hizo arribar a la conclusión de que ese componente adicional podría constituir el freno que ejerce la fricción del vacío cuántico”, declaró Goulart Coelho a Agência FAPESP.

Cabe recordar que, para la mecánica cuántica, el vacío no está realmente vacío, sino que es permeado por fluctuaciones. En ese medio, extremadamente dinámico, fluctuaciones locales de potencial producen permanentemente pares de partículas y antipartículas que se aniquilan acto seguido. De este modo, por más tenue que pueda ser el espacio interestelar, su efecto sobre cuerpos altamente compactos en rotación –tal como es el caso de las estrellas de neutrones– no sería desdeñable.

Ya se han identificado alrededor de dos mil púlsares. Sin embargo, debido a las grandes dificultades existentes en el proceso de observación, sólo nueve de ellos han tenido sus parámetros claramente establecidos. Lo que los tres científicos hicieron fue reunir los datos relativos a esos nueve, registrados en la literatura, y tratarlos con base en conceptos de la física fundamental. De este modo, constataron que, además de la pérdida de energía debida a la radiación electromagnética, otro factor podría estar contribuyendo a la desaceleración del movimiento de rotación: la fricción del vacío cuántico (quantum vacuum friction, en inglés, de allí las siglas QVF).

“Los períodos de rotación de los púlsares, como así también sus variaciones temporales, se determinan mediante la observación. Con base en ellos, es posible calcular el denominado índice de frenado (brake index), caracterizado por el retraso de entre 10^-14 y 10^-13 segundo por segundo. Para explicar este índice, combinamos dos mecanismos de pérdida de energía: la radiación de dipolo magnético clásica y la fricción del vacío cuántico. Investigamos el papel de la QVF como mecanismo adicional. Fue un trabajo de astrofísica teórica aplicado a objetos observables”, resumió Goulart Coelho.

¿Hacia dónde va la energía que se les sustrae a los púlsares a causa de la fricción del vacío? El científico afirmó que, para obtener una respuesta totalmente conclusiva, se hará necesaria la realización de otros estudios. Pero adelantó que la producción de calor está intrínsecamente asociada a la QVF. Ésta es una de las consecuencias de la interacción de un campo magnético muy fuerte con un medio supermagnetizado. El calor surge de la “fricción” del vacío (tenido ahora como un medio material) con la superficie de la estrella, de la misma manera que el movimiento de una aspa en el agua durante un largo tiempo puede calentarla.

“Parece también importante que se comprendan mejor, desde el punto de vista teórico, las consecuencias del calor asociado a la QVF. ¿Hasta qué punto influye sobre la temperatura de la superficie del púlsar? ¿La presencia de este calor resulta importante para otros tipos de estrellas?”, añadió.

Las emisiones electromagnéticas

Cabe en este punto efectuar un resumen del estado actual de los conocimientos referentes a los púlsares. La primera observación de un objeto de este tipo la realizó en 1967 la astrofísica irlandesa Jocelyn Bell, quien en ese entonces realizaba su investigación doctoral. El objeto, ubicado en la Nebulosa del Cangrejo, se detectó como fuente de emisiones electromagnéticas en el rango de las frecuencias de radio, constituido por pulsos extremadamente regulares, tan regulares que se llegó a pensar, en esa época, que podrían provenir de una civilización extraterrestre.

Se sabe ahora que dichos pulsos son producidos por estrellas de neutrones en rotación. Éstas constituyen el estadio terminal del ciclo evolutivo de estrellas que iniciaron sus vidas con masas de magnitudes equivalentes a entre 8 y 25 masas solares. En un determinado momento de su evolución, dichas estrellas explotan como supernovas y eyectan hacia el medio exterior la mayor parte del material que las conforma. Posteriormente, habiendo culminado el proceso de fusión nuclear, cuya presión desde el interior hacia fuera contrabalanceaba la atracción gravitacional, el material remanente entra en colapso y empieza a compactarse cada vez más.

La contracción gravitacional es tal que los electrones se funden con los protones y dan origen a neutrones, altamente aglutinados. Así se forma una estrella de neutrones, cuya densidad llega a niveles de 10¹⁵ g/ cm³. ¡Esto significa que cada centímetro cúbico de la estrella tiene 1.000 millones de toneladas de masa! Masas equivalentes a una vez y media la del Sol se comprimen en esferas de no más de 20 kilómetros de radio.

Una de las consecuencias de esta contracción indica que la estrella pasa a girar cada vez más rápido. Esto se debe a una regularidad en el comportamiento de la materia, a la que en física se le da el nombre de “principio de conservación del momento angular”. El momento angular relaciona a la masa con el cuadrado del radio y con la velocidad angular. Como la masa y el radio disminuyen drásticamente, es necesario que la velocidad angular aumente mucho para que el momento angular se mantenga constante.

“Existen púlsares extremadamente rápidos, con períodos de rotación del orden del milisegundo (10^-3 s); púlsares intermedios, con períodos que van de la centésima a la décima de segundo (de 10^-2 a 10^-1 s), y púlsares más lentos, con períodos de entre uno y diez segundos (de 10⁰ a 10¹ s)”, informó Goulart Coelho.

Otra consecuencia de la contracción indica que el campo magnético de la estrella se intensifica terriblemente. “Esto es producto del denominado ‘principio de conservación de flujo’. Una vez que el área de la superficie del astro disminuye, para que el flujo magnético se conserve el campo debe crecer con el cuadrado de la razón entre el radio anterior y el radio resultante”, explicó el supervisor José Carlos Neves de Araújo. De este modo, el campo magnético de las estrellas de neutrones puede alcanzar valores del orden de entre cien millones (10⁸) y mil billones (10¹⁵) de Gauss. A modo de comparación, puede decirse que la magnitud del campo magnético sobre la superficie de la Tierra es del orden de entre 0,25 y 0,65 Gauss.

Estrellas de neutrones

Aunque los primeros púlsares se detectaron en la franja del radio, las estrellas de neutrones emiten en todas las frecuencias del espectro electromagnético: radio, microondas, infrarrojo, luz visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Así y todo, sólo puede percibírselas como púlsares, es decir, como objetos pulsantes, cuando el eje de su campo magnético no coincide con su eje de rotación.

El motivo de esto es que las emisiones se producen a partir de los polos magnéticos. Cuando los ejes coinciden, el cañón de fotones (las partículas responsables de la interacción electromagnética) apunta siempre en la misma dirección. Cuando no coinciden, el haz de fotones barre diferentes regiones del espacio durante la rotación. Cada vez que apunta hacia el observador terrestre, esto es percibido como un pulso. Este fenómeno es parecido al de los pulsos luminosos que emiten los faros que orientan a los barcos.

“Lo que más nos entusiasmó en este estudio sobre la fricción del vacío cuántico fue la posibilidad de prever, con base en este efecto, la inclinación del campo magnético del púlsar con relación al eje de rotación y también la evolución del campo magnético en el transcurso del tiempo. En el escenario clásico, de radiación de dipolo magnético puro, este campo debe aumentar de manera tal que explique los braking indices observados. Pero la introducción de la QVF y otros ingredientes invierten esta tendencia”, comentó Goulart Coelho.

Resulta importante subrayar que la confirmación o la refutación de QVF surgirán de manera observacional. “Nuestros análisis nos mostraron que existen cantidades físicas que se contrastan mucho, dependiendo o no de la inserción del vacío cuántico en el mecanismo de pérdida de energía de un púlsar, lo cual nos suministra grandes esperanzas de que se pueda probar de manera definitiva la QVF cuando éstas puedan medirse”, añade el coautor del artículo, Jonas Pedro Pereira.

Según los científicos, la fricción del vacío cuántico se volvería especialmente relevante en púlsares con campos magnéticos muy intensos, de entre 10¹² y 10¹³ Gauss, y que, debido a que ya han perdido bastante rotación, exhiben períodos más largos: de 1 a 10 segundos.

“Al considerar la fricción del vacío cuántico, nuestro estudio aportó un importante elemento al modelo clásico de transferencia de energía de los púlsares, basado únicamente en la radiación electromagnética. Pero pretendemos seguir adelante, y estamos trabajando ahora en un tercer mecanismo de transferencia, que es el de la emisión de ondas gravitacionales”, finalizó Neves de Araújo.