Quão pesada pode ser uma partícula de luz? Os cientistas acabaram de descobrir: WebCuriosos

Temos um novo limite superior para a massa da luz.

De acordo com medições de estrelas pulsantes espalhadas pela Via Láctea e sinais de rádio misteriosos de outras galáxias, uma partícula de luz – chamada fóton – não pode ser mais pesada que 9,52 × 10^-46 quilogramas.

É um limite minúsculo, mas descobrir que a luz tem qualquer massa teria um impacto significativo na forma como interpretamos o Universo que nos rodeia e na nossa compreensão da física.

Os fótons, normalmente, são descritos como partículas sem massa. Esses quantidades discretas de energia voam através do espaço-tempo a uma velocidade constante, incapazes de acelerar ou desacelerar no vácuo. Esta velocidade constante implica ausência de massa e não há evidências em contrário.

No entanto, não sabemos com certeza absoluta se os fótons não têm massa.

Uma massa diferente de zero teria implicações profundas. Isso contradiria a relatividade especial de Einstein, e Teoria eletromagnética de Maxwellprovavelmente levando a uma nova física e possivelmente respondendo a algumas questões gigantescas sobre o Universo (embora levantando muitas outras no processo).

Se um fotão tivesse massa, teria de ser extremamente pequeno para não ter grandes efeitos na forma como o Universo apareceu, o que significa que simplesmente não temos as ferramentas para medi-lo diretamente.

Mas podemos fazer medições indiretas que nos darão um limite superior para esta massa hipotética, e foi exatamente isso que um grupo de astrónomos fez.

Uma equipe da Universidade de Ciência e Engenharia de Sichuan, da Academia Chinesa de Ciências e da Universidade de Nanjing analisou dados coletados pelo Parkes Pulsar Timing Array e dados sobre rajadas rápidas de rádio de várias fontes para determinar quão massiva a luz pode ser.

Um conjunto de temporização de pulsar é um conjunto de antenas de radiotelescópio para monitorar estrelas de nêutrons que enviam feixes pulsantes de radiação eletromagnética em pulsares de milissegundos extremamente precisos. Explosões rápidas de rádio são explosões de luz extremamente poderosas de origem desconhecida que são detectadas em vastos golfos intergalácticos do espaço.

A propriedade que os pesquisadores examinaram é conhecida como medida de dispersãoum dos principais atributos dos pulsares e das explosões rápidas de rádio. Refere-se a quanto um feixe de luz de rádio fortemente pulsado é espalhado pelos elétrons livres entre nós e a fonte de luz.

Se os fótons tivessem massa, sua propagação através do espaço sem vácuo povoado por plasma seria afetada tanto pela massa quanto pelos elétrons livres no plasma. Isso levaria a um tempo de atraso proporcional à massa do fóton.

Uma matriz de temporização de pulsar procura atrasos na temporização dos pulsos do pulsar em relação uns aos outros. Particularmente dentro da largura de banda ultralarga, os efeitos de dispersão podem ser minimizados, permitindo aos pesquisadores calcular quanto atraso poderia ser contribuído pela hipotética massa do fóton.

Enquanto isso, a desdispersão dos sinais de rajadas rápidas de rádio também pode revelar um atraso proporcional à massa do fóton.

Ao estudar cuidadosamente esses dados, a equipe conseguiu derivar o limite superior de 9,52 × 10^-46 quilogramas (ou, em energia equivalente, 5,34 × 10^-10 elétron-volts c^-2). Observe que isso não significa que o fóton tenha massa; significa apenas que temos um novo limite onde a massa poderia cair, se existisse.

“Esta é a primeira vez,” os autores escrevem“que a interação entre uma massa de fóton diferente de zero e o meio de plasma foi levada em consideração e calculada à medida que o fóton se propaga através do meio de plasma.”

Não é muito menor que uma medida publicado em 2023mas é um refinamento. Isto significa que os cientistas que investigam os efeitos de uma hipotética massa de fotões têm um alcance mais preciso para operar.

O estudo também demonstra, dizem os astrônomos, a necessidade de radiotelescópios altamente precisos. Não é provável que consigamos pesar um fotão tão cedo, mas a obtenção de dados consistentemente de maior qualidade permitir-nos-á restringir ainda mais a medição e, com ela, os seus potenciais efeitos no Universo que nos rodeia.

A pesquisa foi publicada em O Jornal Astrofísico.