Persbericht

Eerste sporen van vreemde kwantumeigenschap van de lege ruimte?

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

30 november 2016

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 magnetische 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.

Meer informatie

De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘Evidence for vacuum birefringence from the first optical polarimetry measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754’, van R. Mignani et al., dat in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society verschijnt.

Het onderzoeksteam bestaat uit R.P. Mignani (INAF - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano, Milaan, Italië; Janusz Gil Institute of Astronomy, Universiteit van Zielona Góra, Zielona Góra, Polen), V. Testa (INAF - Osservatorio Astronomico di Roma, Monteporzio, Italië), D. González Caniulef (Mullard Space Science Laboratory, University College London, VK), R. Taverna (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Universita di Padova, Padua, Italië), R. Turolla (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Universita di Padova, Padua, Italië; Mullard Space Science Laboratory, University College London, VK), S. Zane (Mullard Space Science Laboratory, University College London, VK) en K. Wu (Mullard Space Science Laboratory, University College London, VK).

ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door zestien lidstaten: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die specifiek is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, dicht bij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.

Links

• Onderzoeksartikel
• Foto’s van de VLT

Contact

Roberto Mignani
INAF - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano
Milan, Italy
Tel: +39 02 23699 347
Mob: +39 328 9685465
E-mail: mignani@iasf-milano.inaf.it

Vincenzo Testa
INAF - Osservatorio Astronomico di Roma
Monteporzio Catone, Italy
Tel: +39 06 9428 6482
E-mail: vincenzo.testa@inaf.it

Roberto Turolla
University of Padova
Padova, Italy
Tel: +39-049-8277139
E-mail: turolla@pd.infn.it

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Mob: +49 151 1537 3591
E-mail: rhook@eso.org

Rodrigo Alvarez (press contact België)
ESO Science Outreach Network en Planetarium, Royal Observatory of Belgium
Tel: +32-2-474 70 50
E-mail: eson-belgië@eso.org

Connect with ESO on social media