Posibles primeras señales en el espacio vacío de una extraña propiedad cuántica

Un equipo dirigido por Roberto Mignani, de INAF Milán (Italia) y de la Universidad de Zielona Gora (Polonia), utilizó el VLT (Very Large Telescope) de ESO, instalado en el Observatorio Paranal (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 hizo que los astrónomos sólo pudieran observarla en luz visible utilizando el instrumento FORS2, instalado en el VLT, en los límites de la tecnología de telescopios actual.

Las estrellas de neutrones son los densos núcleos remanentes de estrellas masivas (al menos 10 veces más masivas que nuestro Sol) que han estallado como supernovas al final de sus vidas. También tienen campos magnéticos muy extremos, miles de millones de veces más fuertes que los del Sol, que impregnan su superficie exterior y sus alrededores.

Estos campos son tan fuertes que incluso afectan a las propiedades del espacio vacío que hay alrededor de la estrella. Se cree que, normalmente, el vacío está completamente vacío, y que la luz puede viajar a través de él sin sufrir ningún cambio. Pero en la electrodinámica cuántica (QED, por sus siglas en inglés), la teoría cuántica que describe la interacción entre fotones de luz y partículas cargadas, como electrones, el espacio está lleno de partículas virtuales que aparecen y desaparecen todo el tiempo. Los campos magnéticos muy fuertes puede modificar este espacio, lo que afecta a la polarización de la luz que pasa a través de él.

Mignani, explica: "De acuerdo con la QED, un vacío altamente magnetizado se comporta como un prisma lo hace con la propagación de la luz, un efecto conocido como birrefringencia de vacío".

Sin embargo, hasta ahora, de entre las muchas predicciones de la QED, la birrefringencia de vacío carecía de una demostración experimental directa. Los intentos de detectarla en el laboratorio no han tenido éxito en los años 80 desde que se predijo en un artículo por Werner Heisenberg (conocido por formular el principio de incertidumbre) y Hans Heinrich Euler.

Esta ilustración muestra cómo la luz proveniente de la superficie de una estrella de neutrones muy magnética (izquierda) se convierte en polarizada linealmente a medida que viaja por el vacío del espacio cercano a la Estrella, en su camino hacia el observador situado 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. Este efecto fue predicho en la década de 1930, pero no se había observado antes. Las direcciones magnéticas y las del campo eléctrico se muestran con las líneas rojas y azules. Las simulaciones realizadas por Roberto Taverna (Universidad de Padua, Italia) y Denis González Caniulef (UCL/MSSL, Reino Unido) muestran cómo estas se alinean a lo largo de una dirección preferida a medida que la luz pasa a través de la región que rodea a la estrella de neutrones. (Crédito: ESO/L. Calçada)

"Este efecto puede detectarse solamente en presencia de campos magnéticos enormemente fuertes, como los que hay alrededor de estrellas de neutrones. Esto demuestra, una vez más, que las estrellas de neutrones son laboratorios de un gran valor para el estudio de las leyes fundamentales de la naturaleza", afirma Roberto Turolla (Universidad de Padua, Italia).

Tras un cuidadoso análisis de los datos del VLT, Mignani y su equipo detectaron polarización lineal (en un grado significativo de alrededor del 16%) debida probablemente, según los investigadores, al efecto impulsor de birrefringencia de vacío en el área de espacio vacío que rodea  a RX J1856.5-3754.

Vincenzo Testa (INAF, Roma, Italia), comenta: "Es el objeto más débil en el que se ha medido nunca la polarización. Requiere uno de los telescopios más grandes y más eficientes del mundo, el VLT, y técnicas precisas de análisis de datos para mejorar la señal de una estrella tan débil".

"La alta polarización lineal que medimos con el VLT no puede explicarse fácilmente con nuestros modelos, a menos que incluyamos los efectos de birrefringencia de vacío predichos por QED", agrega Mignani.

"Este estudio del VLT es el primer apoyo observacional para las predicciones de este tipo de efectos QED que emanan de un campo magnético extremadamente fuerte", comenta Silvia Zane (UCL/MSSL, Reino Unido).

Mignani está emocionado ante las mejoras en este área de estudio que podrían dares gracias a los telescopios más avanzados: "Las mediciones de la polarización con la próxima generación de telescopios como el E-ELT (European Extremely Large Telescope)de ESO, pueden jugar un papel crucial a la hora de poner a prueba las predicciones de los de efectos de birrefringencia de vacío de la QED alrededor muchas más estrellas de neutrones".

"Esta medición, realizada por primera vez ahora en luz visible, también allana el camino para que puedan llevarse a cabo mediciones similares en longitudes de onda de rayos X", añade Kinwah Wu (UCL/MSSL, Reino Unido). (Fuente: ESO)