This artist’s view shows how the light coming from the surface of a strongly magnetic neutron star (left) becomes linearly polarised as it travels through the vacuum of space close to the star on its way to the observer on Earth (right). The polarisation of the observed light in the extremely strong magnetic field suggests that the empty space around the neutron star is subject to a quantum effect known as vacuum birefringence, a prediction of quantum electrodynamics (QED). This effect was predicted in the 1930s but has not been observed before. The magnetic and electric field directions of the light rays are shown by the red and blue lines. Model simulations by Roberto Taverna (University of Padua, Italy) and Denis Gonzalez Caniulef (UCL/MSSL, UK) show how these align along a preferred direction as the light passes through the region around the neutron star. As they become aligned the light becomes polarised, and this polarisation can be detected by sensitive instruments on Earth.

Primi segni di una bizzarra proprietà quantistica dello spazio vuoto?


L’analisi della luce emessa da una stella di neutroni fortemente magnetizzata ha permesso a un gruppo internazionale di astronomi guidati da Roberto Mignani, dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e dell’Università di Zielona Gora (Polonia) di osservare gli indizi di un effetto quantistico previsto da circa ottant’anni e mai rilevato finora, che prende il nome di birifrangenza del vuoto.


Grazie all’analisi della luce emessa da una stella di neutroni fortemente magnetizzata, un gruppo internazionale di astronomi guidati da Roberto Mignani, dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e dell’Università di Zielona Gora (Polonia) è riuscito a osservare gli indizi di un effetto quantistico previsto da circa ottant’anni e mai rilevato finora, che prende il nome di birifrangenza del vuoto. In pratica, lo spazio attorno alla stella di neutroni, soggetto al fortissimo campo magnetico esercitato dal corpo celeste, si comporta come un prisma, influenzando la polarizzazione della luce che lo attraversa.

Il gruppo di Roberto Mignani è giunto a queste conclusioni utilizzando le osservazioni della stella di neutroni RX J1856.5-3754, distante 400 anni luce dalla Terra, con il telescopio Very Large Telescope (VLT) dell’ESO in Cile e il suo strumento FORS2. Le stelle di neutroni sono residui molto densi di stelle massicce – che avevano cioè masse iniziali pari ad almeno 10 volte quella del Sole – esplose come supernovae alla fine del loro ciclo evolutivo. Questi oggetti celesti possiedono anche campi magnetici estremi, miliardi di volte più intensi di quello solare, che avvolgono la loro superficie e le zone di spazio circostanti.

Wide field view of the sky around the very faint neutron star RX

Panoramica del cielo intorno alla debole stella di neutroni RX J1856.5-3754.


I campi magnetici delle stelle di neutroni sono così forti che influenzano anche lo spazio vuoto intorno ad esse. Nell’esperienza comune il vuoto è uno spazio che non contiene alcunché e la luce può viaggiare attraverso di esso senza essere modificata. Ma secondo l’elettrodinamica quantistica (QED), la teoria dei quanti che descrive l’interazione tra i fotoni di luce e le particelle cariche, come ad esempio gli elettroni, lo spazio è permeato da particelle virtuali che appaiono e scompaiono senza sosta. Campi magnetici molto intensi possono modificare questo spazio, influenzando così la polarizzazione della luce che passa attraverso di esso.

«Le accurate analisi dei dati raccolti dal VLT» dice Mignani  «ci hanno permesso di registrare una frazione  di polarizzazione lineare della luce emessa dalla stella di neutroni pari a circa il 16 percento. Un valore così elevato non può essere spiegato facilmente dai nostri attuali modelli teorici, a meno di includere gli effetti di birifrangenza del vuoto previsti dalla QED».  Rilevare l’entità della polarizzazione della luce visibile emessa dalla sorgente RX J1856.5-3754 è stato un compito davvero difficile, come ricorda Vincenzo Testa, ricercatore dell’INAF di Roma che ha partecipato all’indagine: «Questo è l’oggetto più debole per cui sia stata mai misurata la polarizzazione. Ha richiesto uno dei telescopi più grandi e più efficienti al mondo, il VLT, e tecniche di analisi dati molto sofisticate per enfatizzare il segnale di una stella così debole».

VLT image of the area around the very faint neutron star RX J185

Immagine ripresa dal VLT  dell’area attorno alla debolissima stella di neutroni RX J1856.5-3754.


Tra le molte previsioni della QED, la birifrangenza del vuoto non aveva finora avuto una dimostrazione sperimentale diretta. I vari tentativi di rivelare questo effetto in laboratorio non sono ancora stati coronati da successo, nonostante siano trascorsi ormai 80 anni dal lavoro teorico dei fisici Werner Heisenberg e Hans Heinrich Euler che lo ipotizzava.

«Questo effetto può essere rilevata solo in presenza di forti campi magnetici davvero potenti, come quelli che circondano le stelle di neutroni» aggiunge Roberto Turolla, dell’Università di Padova e associato INAF, che ha partecipato allo studio in pubblicazione sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. «Questo dimostra, ancora una volta, che le stelle di neutroni sono laboratori preziosi dove studiare le leggi fondamentali della natura».

L’entrata in funzione di nuovi e più avanzati telescopi potrà portare importanti contributi a questo tipo di indagini, come sottolinea Mignani: «Le misure di polarizzazione che potremo realizzare con la nuova generazione di telescopi, come l’E-ELT (European Extremely Large Telescope) dell’ESO, potrebbero svolgere un ruolo cruciale nella verifica delle previsioni della QED sugli effetti di birifrangenza del vuoto intorno a molte stelle di neutroni, aiutandoci così a capire meglio anche alcuni aspetti cruciali della Fisica quantistica».

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La polarizzazione della luce emessa da una stella di neutroni.


leggi l’articolo Evidence for vacuum birefringence from the first optical polarimetry measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754 su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte

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