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jueves, 1 de diciembre de 2016

¿Primeras señales en el espacio vacío de una extraña propiedad cuántica?. Observaciones de una estrella de neutrones, llevadas a cabo con el VLT, podrían confirmar una predicción de hace 80 años sobre el vacío

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).

La polarización de la luz emitida por una estrella de neutrones

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

Wide field view of the sky around the very faint neutron star RX J1856.5-3754


This wide field image shows the sky around the very faint neutron star RX J1856.5-3754 in the southern constellation of Corona Australis. This part of the sky also contains interesting regions of dark and bright nebulosity surrounding the variable star R Coronae Australis (upper left), as well as the globular star cluster NGC 6723. The neutron star itself is too faint to be seen here, but lies very close to the centre of the image.

Crédito:

ESO/Digitized Sky Survey 2

Acknowledgement: Davide De Martin

VLT image of the area around the very faint neutron star RX J1856.5-3754

Colour composite photo of the sky field around the lonely neutron star RX J1856.5-3754 and the related cone-shaped nebula. It is based on a series of exposures obtained with the multi-mode FORS2 instrument at VLT KUEYEN through three different optical filters. The trail of an asteroid is seen in the field with intermittent blue, green and red colours. RX J1856.5-3754 is exactly in the centre of the image.

Crédito:

ESO

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La polarización de la luz emitida por una estrella de neutrones


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

Zooming in on the very faint neutron star RX J1856.5-3754

This video sequence takes us from a broad view of the spectacular central regions of the Milky Way deep into the small constellation of Corona Australis. Here, as well as seeing clouds of glowing gas and dark regions of dust, we find the very faint neutron star RX J1856.5-3754. This extremely dense and magnetic object is the first place that indications of a strange quantum effect called vacuum birefringence may have been detected in new observations made using ESO’s Very Large Telescope.

Crédito:

ESO/N. Risinger (skysurvey.org)/Digitized Sky Survey 2


Fuente: Observatorio Europeo Austral