Stelle di neutroni: un laboratorio nello spazio per la fisica quantistica

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

Questa rappresentazione artistica 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, nel suo viaggio verso l'osservatore sulla Terra (a destra). La polarizzazione della luce osservata in un campo magnetico elevato suggerisce che lo spazio vuoto intorno alla stella di neutroni sia soggetto all'effetto noto come birifrangenza del vuoto, una previsione della elettrodinamica quantistica fatta intorno al 1930 ma mai osservata prima d'ora. Le linee rosse e blu indicano la direzione del campo magnetico e del campo elettrico. Simulazioni numeriche realizzate da Roberto Taverna (Università di Padova, Italia) e Denis Gonzalez Caniulef (UCL/MSSL, Regno Unito) mostrano come queste si allineino lungo direzioni preferenziali quando la luce passa nella regione che circonda la stella di neutroni. Crediti: ESO/L. Calçada

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.

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.

Questa panoramica mostra il cielo intorno alla debole stella di neutroni RX J1856.5-3754 nella costellazione meridionale della Corona Australe. In questa zona di cielo si vedono molte nebulose scure e brillanti che circondano la stella variabile R Coronae Australis (in alto a sinistra) e l'ammasso globulare NGC 6723. La stella di neutroni è troppo debole per essere vista in questa fotografia, ma si trova praticamente al centro dell'immagine. Crediti: ESO/Digitized Sky Survey 2 Acknowledgement: Davide De Martin
Questa panoramica mostra il cielo intorno alla debole stella di neutroni RX J1856.5-3754 nella costellazione meridionale della Corona Australe. In questa zona di cielo si vedono molte nebulose scure e brillanti che circondano la stella variabile R Coronae Australis (in alto a sinistra) e l’ammasso globulare NGC 6723. La stella di neutroni è troppo debole per essere vista in questa fotografia, ma si trova praticamente al centro dell’immagine. Crediti: ESO/Digitized Sky Survey 2 Acknowledgement: Davide De Martin

«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».

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».

Il team di ricercatori che ha condotto lo studio, pubblicato nell’articolo “Evidence for vacuum birefringence from the first optical polarimetry measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754” sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society è composto da Roberto P. Mignani (INAF – Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica di Milano; Janusz Gil Institute of Astronomy, University of Zielona Góra, Zielona Góra, Polonia), Vincenzo Testa (INAF – Osservatorio Astronomico di Roma), Denis González Caniulef (Mullard Space Science Laboratory, University College London, Regno Unito), Roberto Taverna (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Padova e associato INAF), Roberto Turolla (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Padova e associato INAF; Mullard Space Science Laboratory, University College London, Regno Unito), Silvia Zane (Mullard Space Science Laboratory, University College London, Regno Unito) e Kinwah Wu (Mullard Space Science Laboratory, University College London, Regno Unito).