Prime tracce sperimentali di un effetto quantistico previsto nel 1930

L'occhio robotico del telescopio VLT potrebbe aver appena documentato il primo caso di un particolare effetto quantistico previsto oltre 80 anni dai fisici tedeschi Werner Heisenberg e Hans Heinrich Euler.

Protagonista della scoperta è la stella di neutroni RX J1856.5-3754, il densissimo nucleo di una massiccia stella esplosa in forma di supernova. Nonostante l'oggetto sia una delle stelle di neutroni più vicine alla Terra, la sua luminosità è talmente ridotta che gli scienziati hanno dovuto limitare le loro analisi fotometriche alla regione visibile dello spettro elettromagnetico.

Image credit: ESO.

I dati del VLT hanno rivelato che la luce emessa dalla stella di neutroni risulta polarizzata linearmente. La polarizzazione è il fenomeno ottico per cui il piano di vibrazione - il piano che contiene il campo elettrico di un'onda e il vettore della sua direzione di propagazione - di un'onda risulta oscillare in una sola direzione. La luce di RX J1856.5-3754 risulta polarizzata del 16 percento.

"È la prima volta che riusciamo a osservare un fenomeno di polarizzazione in un oggetto così poco luminoso," spiega Vincenzo Testa dell'INAF di Roma. "Questa misurazione ha richiesto uno dei più grandi ed efficienti telescopi al mondo, il VLT, e una serie di accurate tecniche di analisi dei dati per amplificare il segnale della stella."

"Questo risultato è molto importante, e ottenerlo è stato molto difficile," spiega Roberto Mignani dell'INAF di Milano. "Abbiamo dovuto usare il miglior telescopio al mondo con le migliori condizioni atmosferiche possibili - tutto questo a causa della debole luce emessa dalla sorgente."

La polarizzazione della radiazione stellare sarebbe dovuta all'azione degli intensi campi magnetici che permeano le propaggini esterne e le immediate vicinanze della stella; agendo sulle particelle virtuali - entità quantistiche che appaiono e scompaiono di continuo, anche nello spazio profondo, grazie all'indeterminazione che caratterizza la realtà quantistica - questi campi sono in grado di polarizzare la luce della stella, e comportarsi quindi come una sorta di prisma.

"Secondo l'elettrodinamica quantistica, uno spazio vuoto altamente magnetizzato può fare da prisma alla propagazione della luce - un effetto noto come birifrangenza del vuoto," prosegue Mignani. "Questo effetto, però, non ha avuto riscontri sperimentali, prima di oggi. Negli 80 anni che sono trascorsi dalla sua prima menzione, tutti i tentativi di osservarlo in natura e nei laboratori sono falliti. Tuttavia, l'elevata polarizzazione lineare che abbiamo misurato con VLT non può essere spiegata se non includendo la birifrangenza del vuoto prevista dall'elettrodinamica quantistica."

"Questo effetto può essere rilevato solo in presenza di campi magnetici incredibilmente intensi, come quelli attorno alle stelle di neutroni," aggiunge Roberto Turolla dell'Università di Padova. "Ciò dimostra, per l'ennesima volta, come le stelle di neutroni rappresentino preziosissimi laboratori in cui studiare le leggi della natura."

"Questo studio fornisce le prime prove dirette di uno dei vari effetti dell'elettrodinamica quantistica in presenza di campi magnetici molto intensi," spiega Silvia Zane dell'University College London. "Se c'è un campo magnetico molto intenso, non c'è bisogno di un pezzo di vetro o un prisma per rifrangere la luce. Tuttavia, il campo magnetico dev'essere incredibilmente intenso - non basta un semplice magnete come quelli che usiamo tutti i giorni."

La scoperta potrebbe essere solo l'inizio di una serie di misurazioni che, sfruttando questo effetto, promettono di far luce su vari aspetti dell'astrofisica.

"Potremmo determinare come queste stelle di neutroni si siano formate, come cambino nel tempo e come operino i loro campi magnetici - regioni della fisica che attualmente sono molto poco chiare," spiega Herman Marshall del MIT. "Mi piacerebbe vedere ulteriori osservazioni nella regione dei raggi-X, visto che le stelle di neutroni tendono ad essere più luminose a quelle lunghezze d'onda."

"Non sappiamo bene cosa ci aspetta adesso," conclude Mignani. "Quando Einstein ideò la teoria della relatività generale cento anni fa, non aveva idea che sarebbe stata usata per i sistemi di navigazione. Probabilmente, le conseguenze di questa scoperta si paleseranno anch'esse più avanti nel tempo."