VLT-waarnemingen van een neutronenster kunnen 80 jaar oude voorspelling wellicht bevestigen

Door het licht van een uitzonderlijk compacte en sterk magnetische neutronenster te onderzoeken met ESO’s Very Large Telescope, hebben astronomen wellicht de eerste observationele aanwijzing gevonden voor een vreemd kwantumeffect dat in de jaren ’30 van de vorige eeuw voor het eerst werd voorspeld. De polarisatie van het waargenomen licht wijst erop dat de lege ruimte rond de neutronenster onderhevig is aan een kwantumeffect dat vacuüm-dubbelbreking wordt genoemd.

Een team onder leiding van Roberto Mignani van INAF Milan (Italië) en van de Universiteit van (Polen) gebruikte de Very Large Telescope (VLT) van de ESO-sterrenwacht op Paranal in Chili om de ongeveer 400 lichtjaar verre neutronenster RX J1856.5-3754 te onderzoeken [1]. Hoewel het tot de meest nabije neutronensterren behoort, is dit object zo extreem zwak, dat astronomen het zichtbare licht ervan alleen kunnen waarnemen met het FORS2-instrument van de VLT. De waarneming vergde het uiterste van de huidige telescooptechnologie. Neutronensterren zijn de zeer compacte overblijfselen van de kernen van zware sterren – met minstens tien keer zoveel massa als onze zon – die aan het einde van hun bestaan als supernova’s zijn ontploft. De magnetisch velden van deze objecten zijn miljarden keren sterker dan die van onze zon.

Deze velden zijn zo extreem sterk dat ze van invloed zijn op de eigenschappen van de lege ruimte rond de ster. Normaal gesproken is zo’n vacuüm helemaal leeg, en kan licht erdoorheen gaan zonder veranderingen te ondergaan. Maar volgens de kwantumelektrodynamica (Engelse afkorting: QED) – de kwantumtheorie die de interacties tussen fotonen van licht en geladen deeltjes zoals elektronen beschrijft – wemelt de lege ruimte van de virtuele deeltjes die nu eens verschijnen en dan weer verdwijnen. Zeer sterke magnetische velden kunnen deze ruimte zodanig veranderen dat deze de polarisatie van licht dat erdoorheen gaat beïnvloedt. Mignani legt uit: ‘Volgens de QED gedraagt een sterk magnetisch vacuüm zich als een soort prisma – een effect dat vacuüm-dubbelbreking wordt genoemd.’

Tot nu toe kon het bestaan van deze vacuüm-dubbelbreking echter niet experimenteel worden aangetoond. Pogingen om het effect, dat tachtig jaar geleden werd voorspeld in een artikel van Werner Heisenberg (die van het befaamde onzekerheidsbeginsel) en Hans Heinrich Euler, in het laboratorium te detecteren bleven vruchteloos. ‘Dit effect kan alleen worden gedetecteerd in aanwezigheid van enorm sterke magnetische velden, zoals die rond neutronensterren. Daarmee is eens te meer aangetoond dat neutronensterren van onschatbare waarde zijn voor het onderzoek van fundamentele natuurwetten,’ aldus Roberto Turolla (Universiteit van Padua, Italië).

Na zorgvuldige analyse van de VLT-gegevens hebben Mignani en zijn team een duidelijke lineaire polarisatie gedetecteerd – met een polarisatiegraad van ongeveer 16% – die volgens hen waarschijnlijk het gevolg is van het versterkende effect van vacuüm-dubbelbreking in de lege ruimte rond RX J1856.5-3754 [2]. Vincenzo Testa (INAF, Rome, Italië) licht toe: ‘Dit is het zwakste object waarbij ooit polarisatie is gemeten. En daar was, behalve een van de grootste en meest efficiënte telescopen ter wereld – de VLT, ook een nauwgezette data-analyse voor nodig.’

‘De sterke lineaire polarisatie die we met de VLT hebben gemeten laat zich niet gemakkelijk verklaren zonder de door de QED voorspelde vacuüm-dubbelbreking,’ voegt Mignani daaraan toe. ‘Dit VLT-onderzoek is het allereerste observationele bewijs voor dit type QED-effecten die door extreem sterke magnetische velden worden veroorzaakt,’ aldus Silvia Zane (UCL/MSSL, VK).

Mignani is uitgelaten over de verdere verbeteringen op dit onderzoeksterrein die met geavanceerdere telescopen mogelijk zijn: ‘Polarisatiemetingen met de volgende generatie van telescopen, zoals ESO’s European Extremely Large Telescope, zouden wel eens een cruciale rol kunnen gaan spelen bij de toetsing van de QED-voorspellingen van vacuüm-dubbelbrekingeffecten rond tal van andere neutronensterren.’ ‘Deze meting, die nu voor het eerst in zichtbaar licht is gedaan, baant ook de weg voor soortgelijke metingen op röntgengolflengten,’ voegt Kinwah Wu (UCL/MSSL, VK) daaraan toe.

Noten

[1] Dit object maakt deel uit van een groepje van zeven neutronensterren die bekendstaan als de Magnificent Seven. Dat zijn solitaire neutronensterren zonder stellaire begeleiders die geen radiostraling uitzenden (zoals pulsars) en ook niet omgeven zijn door materiaal dat is achtergebleven van een supernova-explosie.

[2] Er bestaan nog andere processen die sterlicht dat zich door de ruimte voortplant kunnen polariseren. Het team heeft ook deze mogelijkheden, waaronder polarisatie die door verstrooiing aan stofdeeltjes ontstaat, nauwkeurig onder de loep genomen. De onderzoekers achten het echter onwaarschijnlijk dat het waargenomen polarisatiesignaal daardoor is veroorzaakt.