Door het licht te bestuderen dat wordt uitgezonden door een buitengewoon dichte en sterk gemagnetiseerde neutronenster met behulp van ESO's Very Large Telescope, astronomen hebben misschien de eerste waarnemingen gevonden van een vreemd kwantumeffect, voor het eerst voorspeld in de jaren dertig. De polarisatie van het waargenomen licht suggereert dat de lege ruimte rond de neutronenster onderhevig is aan een kwantumeffect dat bekend staat als vacuüm dubbele breking.

Een team onder leiding van Roberto Mignani van INAF Milaan (Italië) en van de Universiteit van Zielona Gora (Polen), gebruikte ESO's Very Large Telescope (VLT) van de Paranal-sterrenwacht in Chili om de neutronenster RX J1856.5-3754 te observeren, ongeveer 400 lichtjaar van de aarde.

Ondanks dat ze tot de dichtstbijzijnde neutronensterren behoren, zijn extreme zwakte betekende dat de astronomen de ster alleen met zichtbaar licht konden observeren met behulp van het FORS2-instrument op de VLT, aan de grenzen van de huidige telescooptechnologie.

Neutronensterren zijn de zeer dichte overblijfselen van massieve sterren - minstens 10 keer massiever dan onze zon - die aan het einde van hun leven als supernova zijn geëxplodeerd. Ze hebben ook extreme magnetische velden, miljarden keren sterker dan die van de zon, die hun buitenoppervlak en omgeving doordringen.

Deze velden zijn zo sterk dat ze zelfs de eigenschappen van de lege ruimte rond de ster beïnvloeden. Normaal gesproken wordt een vacuüm als helemaal leeg beschouwd, en licht kan er doorheen reizen zonder te worden veranderd. Maar in kwantumelektrodynamica (QED), de kwantumtheorie die de interactie beschrijft tussen fotonen en geladen deeltjes zoals elektronen, de ruimte zit vol met virtuele deeltjes die voortdurend verschijnen en verdwijnen. Zeer sterke magnetische velden kunnen deze ruimte wijzigen zodat het de polarisatie van het licht dat er doorheen gaat beïnvloedt.

Mignani legt uit:"Volgens QED, een sterk gemagnetiseerd vacuüm gedraagt ​​zich als een prisma voor de voortplanting van licht, een effect dat bekend staat als vacuüm dubbele breking."

Onder de vele voorspellingen van QED, echter, vacuüm dubbele breking tot nu toe ontbrak een directe experimentele demonstratie. Pogingen om het in het laboratorium te detecteren zijn nog niet gelukt in de 80 jaar sinds het werd voorspeld in een paper door Werner Heisenberg (van het onzekerheidsprincipe) en Hans Heinrich Euler.

"Dit effect kan alleen worden gedetecteerd in de aanwezigheid van enorm sterke magnetische velden, zoals die rond neutronensterren. Dit laat zien, nog een keer, dat neutronensterren onschatbare laboratoria zijn om de fundamentele natuurwetten te bestuderen", zegt Roberto Turolla (Universiteit van Padua, Italië).

Na zorgvuldige analyse van de VLT-gegevens, Mignani en zijn team ontdekten lineaire polarisatie - met een significante graad van ongeveer 16% - die volgens hen waarschijnlijk te wijten is aan het versterkende effect van dubbele vacuümbreking in het gebied van lege ruimte rond RX J1856.5-3754.

Vincenzo Testa (INAF, Rome, Italië) merkt op:"Dit is het zwakste object waarvoor ooit polarisatie is gemeten. Er was een van de grootste en meest efficiënte telescopen ter wereld nodig, de VLT, en nauwkeurige data-analysetechnieken om het signaal van zo'n zwakke ster te verbeteren."

"De hoge lineaire polarisatie die we met de VLT hebben gemeten, kan niet gemakkelijk worden verklaard door onze modellen, tenzij de dubbele brekingseffecten voor vacuüm die zijn voorspeld door QED worden meegenomen, ", voegt Mignani toe.

"Deze VLT-studie is de allereerste observationele ondersteuning voor voorspellingen van dit soort QED-effecten die optreden in extreem sterke magnetische velden, " merkt Silvia Zane (UCL/MSSL, VK).

Mignani is enthousiast over verdere verbeteringen aan dit studiegebied die mogelijk zouden kunnen worden gemaakt met meer geavanceerde telescopen:"Polarisatiemetingen met de volgende generatie telescopen, zoals ESO's European Extremely Large Telescope, zou een cruciale rol kunnen spelen bij het testen van QED-voorspellingen van vacuüm-dubbelbrekingseffecten rond veel meer neutronensterren."

"Deze meting, nu voor het eerst in zichtbaar licht gemaakt, maakt ook de weg vrij voor soortgelijke metingen bij röntgengolflengten, " voegt Kinwah Wu (UCL/MSSL, VK).

Dit onderzoek werd gepresenteerd in het artikel getiteld "Evidence for vacuum bireringence from the first optical polarimetry measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754", door R. Mignani et al., verschijnen in Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society .