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

http://www.eso.org/public/spain/news/eso1641/

Observaciones de una estrella de neutrones, llevadas a cabo con el VLT, podrían confirmar una predicción de hace 80 años sobre el vacío

30 de Noviembre de 2016

Utilizando el VLT (Very Large Telescope) de ESO, un equipo de astrónomos, que ha estudiado la luz emitida por una estrella de neutrones extraordinariamente densa y fuertemente magnetizada, puede haber encontrado los primeros indicios observacionales 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 que hay alrededor de la estrella de neutrones está sujeta a un efecto cuántico conocido como birrefringencia de vacío.

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 [1].

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.

"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 [2].

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).

Notas

[1] Este objeto forma parte del grupo de estrellas de neutrones conocidas como Las siete magníficas. Son estrellas de neutrones aisladas (INS, isolated neutron stars), que no tienen compañeras estelares, no emiten ondas de radio (como los púlsares) y no están rodeados por material de la supernova progenitora.

[2] Hay otros procesos que pueden polarizar la luz de las estrellas mientras viaja a través del espacio. El equipo revisó cuidadosamente otras posibilidades — por ejemplo, la polarización por dispersión provocada por granos de polvo—, pero parece poco probable que produzcan la señal de polarización observada.

Información adicional

Este trabajo de investigación se present en el artíuclo científico titulado “Evidence for vacuum birefringence from the first optical polarimetry measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754”, por R. Mignani et al., que aparece en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

El equipo está formado por R.P. Mignani (INAF - Instituto de Astrofísica Espacial y Física Cósmica de Milán, Milán, Italia; Instituto Janusz Gil de Astronomía, Universidad de Zielona Góra, Zielona Góra, Polonia); V. Testa (INAF - Observatorio Astronómico de Roma, Monteporzio, Italia); D. González Caniulef (Laboratorio Mullard de Ciencias Espaciales, University College London, Reino Unido); R. Taverna (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Padua, Padua, Italia); R. Turolla (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Padua, Padua, Italia; Laboratorio Mullard de Ciencias Espaciales, University College London, Reino Unido); S. Zane (Laboratorio Mullard de Ciencias Espaciales, University College London, Reino Unido); y K. Wu (Laboratorio Mullard de Ciencias Espaciales, University College London, Reino Unido).

ESO es la principal organización astronómica intergubernamental de Europa y el observatorio astronómico más productivo del mundo. Cuenta con el respaldo de dieciséis países: Alemania, Austria, Bélgica, Brasil, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Italia, Países Bajos, Polonia, Portugal, el Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza, junto con el país anfitrión, Chile. ESO desarrolla un ambicioso programa centrado en el diseño, construcción y operación de poderosas instalaciones de observación terrestres que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos. ESO también desarrolla un importante papel al promover y organizar la cooperación en investigación astronómica. ESO opera en Chile tres instalaciones de observación únicas en el mundo: La Silla, Paranal y Chajnantor. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope, el observatorio óptico más avanzado del mundo, y dos telescopios de rastreo. VISTA (siglas en inglés de Telescopio de Rastreo Óptico e Infrarrojo para Astronomía) trabaja en el infrarrojo y es el telescopio de rastreo más grande del mundo, y el VST (VLT Survey Telescope, Telescopio de Rastreo del VLT) es el telescopio más grande diseñado exclusivamente para rastrear el cielo en luz visible. ESO es el socio europeo de un revolucionario telescopio, ALMA, actualmente el mayor proyecto astronómico en funcionamiento del mundo. Además, cerca de Paranal, en Cerro Armazones, ESO está construyendo el E-ELT (European Extremely Large Telescope), el telescopio óptico y de infrarrojo cercano de 39 metros que llegará a ser “el ojo más grande del mundo para mirar el cielo”.

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