O Universo em Parafuso

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Por Sean Carroll
Publicado no
Preposterous Universe

Eu tenho sentido a necessidade de postar sobre a alegação de que os experimentadores têm demonstrado que a relação de massa do próton/elétron está mudando com o tempo. Embora seja uma descoberta fascinante se for verdade, há algo que não me “cheira bem” sobre isso. Então eu bati na ideia da primeira postagem sobre a física não afirmar geralmente algo que “cheire bem”. Mas depois eu pensei que tal alegação envolveria necessariamente uma exposição cuidadosa de um exemplo em particular. Então está na hora da história do Universo em Parafuso.

Em abril de 1997, enquanto eu fazia um pós-doutorado no Instituto de Física Teórica da Universidade de Santa Barbara, eu recebi um email de George Field, que tinha sido meu Ph.D. conselheiro. Ele estava sugerindo que eu desse uma olhada em um artigo da notícia que tinha aparecido na primeira página do The New York Times. George é uma das minhas pessoas favoritas no mundo todo, e eu devo todo o sucesso que eu possa ter tido como um cientista e a sua orientação perspicaz no meu início de carreira. Mas tudo bem, eu estava ocupado, e olhei rapidamente para o artigo – além do mais, muitas coisas loucas aparecem no The New York Times.

Mas George escreveu novamente, e gentilmente sugeriu que eu realmente desse uma boa olhada neste artigo, que eu finalmente o fiz. E foi realmente impressionante. Dois cientistas, Borge Nodland da Universidade de Rochester e John Ralston, da Universidade do Kansas, estavam reivindicando que haviam detectado uma violação de um princípio fundamental da cosmologia moderna – a isotropia, a ideia de que o espaço parece o mesmo em todas as direções. Em particular, eles tinham considerado a polarização das ondas de rádio provenientes de quasares distantes, e olharam para a rotação do ângulo de polarização, como as ondas viajaram pelo espaço. E eles tinham encontrado evidências de apenas uma rotação! Se N&R estiverem certos, haveria uma direção preferencial no cosmos – ao longo dessa direção, as ondas de rádio polarizadas iriam suavemente se ‘emparafusar’ conforme elas viajariam pelo espaço, enquanto na direção oposta elas iriam torcer para o outro lado. Totalmente ao contrário, é claro, das nossas expectativas convencionais, que são que (1) as ondas polarizadas mantêm os seus ângulos de polarização no espaço vazio, em vez de ficar girando, e (2) todas as direções no céu são basicamente equivalentes para qualquer outra direção.

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Coisas claramente importantes. Mas para George e eu, isto nos atingiu particularmente, pois tínhamos anteriormente colaborado com o teórico de partículas Roman Jackiw em um projeto muito semelhante, à procura de rotações suaves na polarização de fontes distantes (e não encontramos qualquer delas). Na verdade, este trabalho com George e Roman foi o tema do meu primeiro artigo publicado. Nossa motivação foi testar a invariância de Lorentz, procurando os efeitos de um campo vetorial constante espalhado por todo o espaço-tempo. Acontece que tal vetor pode acoplar ao eletromagnetismo comum, mas apenas em determinadas maneiras especificadas. Mostramos que, se o vetor estiver apontado na maior parte do tempo na direção do espaço-tempo, o seu efeito seria de rodar de maneira uniforme a polarização observada de fontes de rádio distantes; nós então procuramos um tal efeito nos dados existentes, e não havia nenhum. Meu trabalho como estudante de graduação no início era olhar na literatura para as medições dos ângulos de polarização e desvios para o vermelho de galáxias como muitas que eu poderiam encontrar. Eu consegui investigar cerca de 160 tais galáxias, o que foi suficiente para colocar um bom limite para o efeito que estávamos procurando. (Devo dizer que, como um nervoso estudante iniciante de pós-graduação, George foi extremamente intimidador por causa de seu intelecto e incríveis conquistas formidáveis, mas em outras circunstâncias seria de reconhecer que ele foi extremamente gentil e descontraído. Roman, por outro lado, era intimidante, maleável. Mas também fantasticamente inteligente, e um excelente e calmo colaborador que uma vez já entrou na ciência.)

Na época, como jovem ingênuo e ansioso que eu era, eu estava um pouco preocupado em escrever meu primeiro artigo sobre um tema tão estranho como a violação de Lorentz que poderia significar o fim prematuro da minha carreira. Hoje em dia, é claro, ela está em alta, e somos pioneiros orgulhosos.

Assim, a notícia da obra de Nodand e Ralston teve uma ressonância pessoal – parecia que eles estavam investigando algo similar. E então eu notei na história do The New York Times – 160 galáxias de rádio! Esses caras estavam usando os próprios dados que eu tinha digitado como um estudante de graduação de primeiro ano. (Embora, como mais tarde acabei notando, eles tiveram o cuidado suficiente para verificar tudo, e haviam encontrado alguns erros de digitação.) Na verdade, eles tinham basicamente feito exatamente a mesma coisa que nós havíamos feito, exceto que eles tinham considerado um vetor de campo de violação de Lorentz que foi apontado numa direção espacial, em vez de estar na direção do tempo. Como resultado, eles estavam perguntando se havia alguma rotação dependente da direção das polarizações – o horário que você olhou para um lado do céu em um local ou se você olhou para o céu em sentido anti-horário em outro – em vez de estar uniforme através do céu. E, curiosamente, eles pareciam estar dizendo que havia uma tal rotação!

Mas eu não acredito nisso, nem por um segundo. É verdade, nós não tínhamos colocado cuidadosamente um limite para tal efeito, mas eu estava convencido de que eu teria notado isso no curso de brincar com os dados. Já para falar, não havia nenhuma razão teórica boa para suspeitar que tal efeito pudesse existir. Em suma, ele não me “cheira bem”.

radiogalaxyComo se constata, Nodland e Ralston tinham simplesmente cometido um erro. O que eles, e antes deles, nós, estavam fazendo era comparando a polarização dos quasares distantes para sua orientação de ângulos no céu. Muitos destes quasares estenderam jatos provenientes de buracos negros em seus centros, e a orientação desses jatos define (mais ou menos) uma orientação sobre o céu, como na imagem da M87 acima do Very Large Array. Espera-se que haverá campos magnéticos que se estendem ao longo do jato, e que os elétrons livres estarão girando em círculos perpendiculares aos campos magnéticos. Estes elétrons, então, emitem radiação síncrotron – o movimento dos elétrons que produz um campo elétrico dependente do tempo, que viaja para nós como ondas de rádio. Uma vez que o movimento é perpendicular ao campo magnético de fundo (e, portanto, para o jato), o campo eléctrico nas ondas de rádio resultante é do mesmo modo perpendicular ao jato, e que o seu campo elétrico define a polarização. Em outras palavras, por razões físicas prevemos que a polarização é Quasar em cerca de 90 graus para o ângulo do jato no céu. Estávamos à procura de eventuais desvios sistemáticos deste relacionamento, seja no mesmo sentido em todos os lugares (George, Roman e Eu) ou no sentido horário em um e no sentido anti-horário no outro (Nodland e Ralston).

Você vai notar, porém, que nem o ângulo de polarização nem o ângulo de orientação do jato são definidos exclusivamente; girar á 180 graus dá-lhe igualmente uma boa resposta. Assim, a diferença entre eles é também sujeita a uma ambiguidade de 180 graus. Desde que você espere a diferença de 90 graus, isso não faz muita diferença na prática; de fato, se você resolver a ambiguidade, definindo a diferença entre 0 e 180 graus, há um pico óbvio a 90.

screwy2No entanto, Nodland e Ralston estavam trabalhando sob a suposição de que a diferença deve, naturalmente, ser de zero graus, em vez de 90. Isto é, eles assumiram que a polarização e a orientação devem, naturalmente, ser paralelas. Para resolver a ambiguidade de 180 graus, que definia a diferença entre os ângulos de polarização e de orientação entre 0 e 180 graus se o quasar estava em um hemisfério do céu, e entre 180 graus e zero se ele estava no hemisfério oposto. Isso foi uma coisa ruim para fazer, especialmente quando combinados com o que eles fizeram em seguida, que foi plotar os dados em função do redshift e ajustá-los em uma linha reta. Em outras palavras, eles fizeram um complô no qual todos os pontos que estão na parte inferior esquerda e superior direita estão por hipótese, e, em seguida, perguntaram se a linha de melhor ajuste teria uma inclinação diferente de zero (o que supostamente indica que a polarização esteve girando conforme ela viajava através do espaço). Claro, ela deveria ter, por construção.

screwy4Aqui estão os dados, com a N & R em forma diagonal. A linha seccionalmente constante, assim indicando que os dados são agrupados em mais ou menos 90 graus, está estatisticamente em um ajuste muito melhor. Na verdade, se N & R tivesse correta, o pico proeminente em 90 graus no histograma acima seria um completo acidente, o que representa um monte de pontos realmente centrados em torno de zero que por acaso estavam girado para mais ou menos 90 graus. Muito mais fácil de acreditar do que a polarização sendo perpendicular aos jatos, como deve ser, e que não existe qualquer anisotropia fundamental ou direção preferida no universo.

Claro, sobre o que aparece na primeira página do New York Times, o jornal N & R provocou um grande artigo de interesse e documentos de acompanhamento, como detalhado aqui (com muitos links agora quebrados). Mesmo com uma aparição de páginas engraçadas! George e eu escrevemos um artigo de resposta rápida, um dos vários que apareceram. Foi a única vez na minha vida, quando eu trabalhava febrilmente ao longo de um par de dias para escrever um paper a partir do zero – não é normalmente meu modo preferido de operação.

Mas a boa notícia é que isso coloca o material de anisotropia de volta na minha mente, e um ano depois eu percebi que você poderia obter exatamente esse tipo de efeito – uma rotação de fótons polarizados, como eles viajaram de quasares distantes para nós – a partir de quintessência, um campo dinâmico que pode ser a energia escura. Um campo escalar evoluindo naturalmente viola a invariância de Lorentz, escolhendo uma direção preferencial no espaço-tempo – neste caso, a direção em que o campo está evoluindo (presumivelmente uma timelike). Todos os modelos de quintessência que apresentam simetrias para protegê-las de serem descartadas tendem a permitir apenas um tipo de interação com a matéria comum, que é exatamente o tipo que pode empurrar os estados de polarização de fótons. Curiosamente, os dados de quasares atuais não são suficientemente bons para testar essa previsão na precisão suficiente que deveríamos ter, visto o efeito estar realmente lá. Portanto, há uma maneira de ganhar o Prêmio Nobel à espreita lá fora – detectar diretamente a existência da quintessência, descobrindo uma rotação dependente do redshift sistemático da luz polarizada de galáxias distantes. Você só tem a melhorar os limites existentes por uma ou duas ordens de magnitude. Então, o que você está esperando?

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