La vista de este artista muestra cómo la luz que proviene de la superficie de una estrella de neutrones fuertemente magnética (izquierda) se polariza linealmente a medida que viaja a través del vacío del espacio cercano a la estrella en su camino hacia el observador en la Tierra (derecha). La polarización de la luz observada en el campo magnético extremadamente fuerte sugiere que el espacio vacío alrededor de la estrella de neutrones está sujeto a un efecto cuántico conocido como birrefringencia de vacío. una predicción de la electrodinámica cuántica (QED). Este efecto se predijo en la década de 1930, pero no se había observado antes. Las direcciones del campo magnético y eléctrico de los rayos de luz se muestran con líneas rojas y azules. Simulaciones de modelos de Roberto Taverna (Universidad de Padua, Italia) y Denis González Caniulef (UCL / MSSL, Reino Unido) muestran cómo se alinean en una dirección preferida a medida que la luz pasa a través de la región alrededor de la estrella de neutrones. A medida que se alinean, la luz se polariza, y esta polarización puede ser detectada por instrumentos sensibles en la Tierra. Crédito:ESO / L. Calçada
Al estudiar la luz emitida por una estrella de neutrones extraordinariamente densa y fuertemente magnetizada utilizando el Very Large Telescope de ESO, Los astrónomos pueden haber encontrado las primeras indicaciones de observación de un extraño efecto cuántico, predicho por primera vez en la década de 1930. La polarización de la luz observada sugiere que el espacio vacío alrededor de la estrella de neutrones está sujeto a un efecto cuántico conocido como birrefringencia de vacío.
Un equipo dirigido por Roberto Mignani del INAF Milán (Italia) y de la Universidad de Zielona Gora (Polonia), usó el Very Large Telescope (VLT) de ESO en el Observatorio Paranal en Chile para observar la estrella de neutrones RX J1856.5-3754, a unos 400 años luz de la Tierra.
A pesar de estar entre las estrellas de neutrones más cercanas, su extrema oscuridad significaba que los astrónomos solo podían observar la estrella con luz visible utilizando el instrumento FORS2 en el VLT, en los límites de la tecnología actual de los telescopios.
Las estrellas de neutrones son los núcleos remanentes muy densos de estrellas masivas, al menos 10 veces más masivas que nuestro Sol, que han explotado como supernovas al final de sus vidas. También tienen campos magnéticos extremos, miles de millones de veces más fuerte que la del sol, que impregnan su superficie exterior y sus alrededores.
Estos campos son tan fuertes que incluso afectan las propiedades del espacio vacío alrededor de la estrella. Normalmente se piensa que un vacío está completamente vacío, y la luz puede viajar a través de él sin cambiar. Pero en electrodinámica cuántica (QED), la teoría cuántica que describe la interacción entre fotones y partículas cargadas como electrones, el espacio está lleno de partículas virtuales que aparecen y se desvanecen todo el tiempo. Campos magnéticos muy fuertes pueden modificar este espacio de manera que afecte a la polarización de la luz que lo atraviesa.
Mignani explica:"Según QED, un vacío altamente magnetizado se comporta como un prisma para la propagación de la luz, un efecto conocido como birrefringencia de vacío ".
Entre las muchas predicciones de QED, sin embargo, La birrefringencia al vacío hasta ahora carecía de una demostración experimental directa. Los intentos de detectarlo en el laboratorio aún no han tenido éxito en los 80 años desde que fue predicho en un artículo por Werner Heisenberg (de fama del principio de incertidumbre) y Hans Heinrich Euler.
Esta imagen de campo amplio muestra el cielo alrededor de la muy débil estrella de neutrones RX J1856.5-3754 en la constelación austral de Corona Australis. Esta parte del cielo también contiene regiones interesantes de nebulosidad oscura y brillante que rodean a la estrella variable R Coronae Australis (arriba a la izquierda), así como el cúmulo globular de estrellas NGC 6723. La propia estrella de neutrones es demasiado débil para ser vista aquí, pero se encuentra muy cerca del centro de la imagen. Crédito:ESO / Digital Sky Survey 2
"Este efecto solo se puede detectar en presencia de campos magnéticos enormemente fuertes, como los que rodean las estrellas de neutrones. Esta espectáculos, una vez más, que las estrellas de neutrones son laboratorios invaluables para estudiar las leyes fundamentales de la naturaleza ", dice Roberto Turolla (Universidad de Padua, Italia).
Después de un análisis cuidadoso de los datos del VLT, Mignani y su equipo detectaron polarización lineal, en un grado significativo de alrededor del 16%, que dicen que probablemente se deba al efecto de refuerzo de la birrefringencia del vacío que ocurre en el área del espacio vacío que rodea a RX J1856.5-3754.
Vincenzo Testa (INAF, Roma, Italia) comenta:"Este es el objeto más tenue para el que se ha medido la polarización. Se requería uno de los telescopios más grandes y eficientes del mundo, el VLT, y técnicas precisas de análisis de datos para mejorar la señal de una estrella tan tenue ".
"La alta polarización lineal que medimos con el VLT no puede explicarse fácilmente con nuestros modelos a menos que se incluyan los efectos de birrefringencia de vacío predichos por QED, "agrega Mignani.
"Este estudio de VLT es el primer apoyo observacional para las predicciones de este tipo de efectos de QED que surgen en campos magnéticos extremadamente fuertes, ", comenta Silvia Zane (UCL / MSSL, REINO UNIDO).
Mignani está entusiasmado con las mejoras adicionales en esta área de estudio que podrían surgir con telescopios más avanzados:"Mediciones de polarización con la próxima generación de telescopios, como el telescopio europeo extremadamente grande de ESO, podría desempeñar un papel crucial en la prueba de las predicciones QED de los efectos de la birrefringencia en el vacío alrededor de muchas más estrellas de neutrones ".
"Esta medida, hecho por primera vez ahora en luz visible, también allana el camino para que se realicen mediciones similares en longitudes de onda de rayos X, "añade Kinwah Wu (UCL / MSSL, REINO UNIDO).
Esta investigación se presentó en el artículo titulado "Evidencia de birrefringencia en el vacío de la primera medición de polarimetría óptica de la estrella de neutrones aislada RX J1856.5−3754", por R. Mignani et al., Aparecer en Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society .
