Effetti quantistici da una stella di neutroni

Grazie all'analisi della luce emessa da una stella di neutroni fortemente magnetizzata, un gruppo internazionale di astronomi guidati da Roberto Mignani (Istituto Nazionale di Astrofisica, Inaf) è riuscito a osservare gli indizi di un effetto quantistico previsto ottanta anni fa e mai rilevato finora, che prende il nome di birifrangenza del vuoto.

La definizione si applica allo spazio che, attorno a una stella di neutroni e soggetto al fortissimo campo magnetico esercitato dal corpo celeste, si comporta come un prisma, influenzando la polarizzazione della luce che lo attraversa.

L'illustrazione qui a fianco mostra come la luce proveniente dalla superficie di una stella di neutroni con un campo magnetico elevato (a sinistra) diventi polarizzata linearmente mentre attraversa lo spazio vuoto vicino alla stella, assumendo una direzione preferenziale, solidale col campo magnetico, nel suo viaggio verso l'osservatore (a destra): le linee rosse e blu indicano la direzione del campo magnetico e del campo elettrico.

Il fenomeno della polarizzazione della luce suggerisce che lo spazio vuoto intorno alla stella sia appunto soggetto all'effetto noto come birifrangenza del vuoto: è una "previsione" della elettrodinamica quantistica (QED), ossia la teoria quantistica che descrive l'interazione tra fotoni e particelle cariche (come gli elettroni), derivata dalle prime formulazioni di una teoria dei quanti (che risale agli anni '30).

Il gruppo di Roberto Mignani è giunto a queste conclusioni utilizzando le osservazioni della stella di neutroni RX J1856.5-3754 (nella Corona Australe), distante 400 anni luce dalla Terra, con lo strumento FORS2 del Very Large Telescope (VLT) dell'ESO, in Cile (attualmente il telescopio a terra più potente del mondo).

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 campi magnetici estremi, miliardi di volte più intensi di quello solare, che influenzano lo spazio circostante.

Nell'esperienza comune "il vuoto" è uno spazio che non contiene alcunché e che perciò non ha alcuna influenza sulla luce che lo attraversa. Secondo l'elettrodinamica quantistica, però, lo spazio non è vuoto ma 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», afferma 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 difficile, come ricorda Vincenzo Testa, ricercatore dell'Inaf di Roma che ha partecipato allo studio: «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, e tecniche di analisi dei dati molto complesse, per enfatizzare il segnale».

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 mai stati coronati da successo, nonostante siano trascorsi 80 anni dal lavoro teorico dei fisici Werner Heisenberg e Hans Heinrich Euler che lo ipotizzava.

«Questo effetto può essere rilevato solo in presenza di campi magnetici davvero potenti, come quelli che circondano le stelle di neutroni», aggiunge Roberto Turolla, (Università di Padova), che ha partecipato allo studio (sommario, in inglese): «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».