La vista di questo artista mostra come la luce proveniente dalla superficie di una stella di neutroni fortemente magnetica (a sinistra) diventa linearmente polarizzata mentre viaggia attraverso il vuoto dello spazio vicino alla stella nel suo cammino verso l'osservatore sulla Terra (a destra). La polarizzazione della luce osservata nel campo magnetico estremamente forte suggerisce che lo spazio vuoto attorno alla stella di neutroni è soggetto a un effetto quantistico noto come birifrangenza del vuoto, una previsione dell'elettrodinamica quantistica (QED). Questo effetto era stato previsto negli anni '30, ma non era mai stato osservato prima. Le direzioni del campo magnetico ed elettrico dei raggi luminosi sono indicate dalle linee rosse e blu. Simulazioni di modelli di Roberto Taverna (Università di Padova, Italia) e Denis Gonzalez Caniulef (UCL/MSSL, UK) mostrano come questi si allineano lungo una direzione preferita mentre la luce passa attraverso la regione attorno alla stella di neutroni. Man mano che si allineano, la luce si polarizza, e questa polarizzazione può essere rilevata da strumenti sensibili sulla Terra. Credito:ESO/L. Calçada
Studiando la luce emessa da una stella di neutroni straordinariamente densa e fortemente magnetizzata usando il Very Large Telescope dell'ESO, gli astronomi potrebbero aver trovato le prime indicazioni osservative di uno strano effetto quantistico, previsto per la prima volta negli anni '30. La polarizzazione della luce osservata suggerisce che lo spazio vuoto attorno alla stella di neutroni è soggetto a un effetto quantistico noto come birifrangenza del vuoto.
Un team guidato da Roberto Mignani dell'INAF Milano (Italia) e dell'Università di Zielona Gora (Polonia), ha usato il Very Large Telescope (VLT) dell'ESO all'Osservatorio del Paranal in Cile per osservare la stella di neutroni RX J1856.5-3754, a circa 400 anni luce dalla Terra.
Nonostante sia tra le stelle di neutroni più vicine, la sua estrema penombra significava che gli astronomi potevano osservare la stella solo con la luce visibile usando lo strumento FORS2 sul VLT, ai limiti dell'attuale tecnologia dei telescopi.
Le stelle di neutroni sono i nuclei residui molto densi di stelle massicce, almeno 10 volte più massicce del nostro Sole, che sono esplose come supernove alla fine della loro vita. Hanno anche campi magnetici estremi, miliardi di volte più forte di quello del Sole, che permeano la loro superficie esterna e l'ambiente circostante.
Questi campi sono così forti da influenzare persino le proprietà dello spazio vuoto attorno alla stella. Normalmente un vuoto è pensato come completamente vuoto, e la luce può attraversarla senza essere cambiata. Ma in elettrodinamica quantistica (QED), la teoria quantistica che descrive l'interazione tra fotoni e particelle cariche come gli elettroni, lo spazio è pieno di particelle virtuali che appaiono e svaniscono continuamente. Campi magnetici molto forti possono modificare questo spazio in modo da influenzare la polarizzazione della luce che lo attraversa.
Mignani spiega:"Secondo QED, un vuoto altamente magnetizzato si comporta come un prisma per la propagazione della luce, un effetto noto come birifrangenza sotto vuoto."
Tra le tante previsioni di QED, però, la birifrangenza sotto vuoto finora non ha avuto una dimostrazione sperimentale diretta. I tentativi di rilevarlo in laboratorio non sono ancora riusciti negli 80 anni da quando è stato previsto in un articolo di Werner Heisenberg (di fama del principio di indeterminazione) e Hans Heinrich Euler.
Questa immagine ad ampio campo mostra il cielo intorno alla debole stella di neutroni RX J1856.5-3754 nella costellazione meridionale della Corona Australis. Questa parte del cielo contiene anche interessanti regioni di nebulosità scure e luminose che circondano la stella variabile R Coronae Australis (in alto a sinistra), così come l'ammasso globulare NGC 6723. La stessa stella di neutroni è troppo debole per essere vista qui, ma si trova molto vicino al centro dell'immagine. Credito:ESO/Digitized Sky Survey 2
"Questo effetto può essere rilevato solo in presenza di campi magnetici enormemente forti, come quelli intorno alle stelle di neutroni. Questo mostra, ancora una volta, che le stelle di neutroni sono preziosi laboratori in cui studiare le leggi fondamentali della natura." afferma Roberto Turolla (Università di Padova, Italia).
Dopo un'attenta analisi dei dati VLT, Mignani e il suo team hanno rilevato una polarizzazione lineare, a un grado significativo di circa il 16%, che secondo loro è probabilmente dovuta all'effetto di potenziamento della birifrangenza del vuoto che si verifica nell'area dello spazio vuoto che circonda RX J1856.5-3754.
Vincenzo Testa (INAF, Roma, Italia) commenta:"Questo è l'oggetto più debole per il quale sia mai stata misurata la polarizzazione. Ha richiesto uno dei telescopi più grandi ed efficienti del mondo, il VLT, e accurate tecniche di analisi dei dati per migliorare il segnale di una stella così debole".
"L'elevata polarizzazione lineare che abbiamo misurato con il VLT non può essere facilmente spiegata dai nostri modelli a meno che non vengano inclusi gli effetti di birifrangenza del vuoto previsti dal QED, "aggiunge Mignani.
"Questo studio VLT è il primo supporto osservazionale per le previsioni di questo tipo di effetti QED che si verificano in campi magnetici estremamente forti, " commenta Silvia Zane (UCL/MSSL, UK).
Mignani è entusiasta di ulteriori miglioramenti a quest'area di studio che potrebbero derivare da telescopi più avanzati:"Misure di polarizzazione con la prossima generazione di telescopi, come l'European Extremely Large Telescope dell'ESO, potrebbe svolgere un ruolo cruciale nel testare le previsioni QED degli effetti di birifrangenza del vuoto attorno a molte più stelle di neutroni".
"Questa misura, realizzato per la prima volta ora in luce visibile, apre anche la strada a misurazioni simili da effettuare alle lunghezze d'onda dei raggi X, " aggiunge Kinwah Wu (UCL/MSSL, UK).
Questa ricerca è stata presentata nel documento intitolato "Evidence for vacuum birefringence from the first optical polarimetry measure of the isolated neutron star RX J1856.5-3754", di R. Mignani et al., apparire in Avvisi mensili della Royal Astronomical Society .
