Spazio e Scienze

Verificata la birifrangenza del vuoto di Heisenberg

Uno studio condotto da un gruppo di ricercatori fra cui il professore Roberto Turolla e il dottore Roberto Taverna del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Padova ha dimostrato per la prima volta che la luce che si propaga nel vuoto in presenza di un forte campo magnetico subisce un effetto quantistico noto come birifrangenza del vuoto, teorizzato negli anni Trenta e mai dimostrato sperimentalmente.

Panoramica del cielo intorno alla debole stella di neutroni RX J1856 5 3754
Panoramica del cielo intorno alla debole stella di neutroni RX J1856 5 3754. Crediti: ESO

Il risultato è stato possibile impiegando lo strumento FORS2 montato sul il Very Large Telescope (VLT) per misurare la polarizzazione della luce emessa da una stella di neutroni fortemente magnetizzata, la RX J1856.5-3754, che si trova a circa 400 anni luce dalla Terra.

Il prof. Roberto Turolla e il Dott. Roberto Taverna del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Padova spiegano che "il grado di polarizzazione osservato, circa il 16%, può essere ragionevolmente spiegato solo considerando gli effetti dell'elettrodinamica quantistica.  Questo conferma che il fenomeno della birifrangenza del vuoto, previsto da Heisenberg e Euler ottant'anni fa, esiste effettivamente"

Per capire di che cosa stiamo parlando bisogna sapere che le stelle di neutroni sono i resti molto densi di stelle massicce (almeno 10 volte più massicce del Sole) esplose come supernovae al termine della loro vita, e hanno un campo magnetico estremo, miliardi di volte più forte di quello del Sole. Secondo la teoria dell'elettrodinamica quantistica (QED), il vuoto fortemente magnetizzato si comporta come un prisma per quanto riguarda la propagazione della luce, un effetto noto come birifrangenza del vuoto.

VLT image of the area around the very faint neutron star RX J1856 5 3754
Immagine VLT dell'area attorno alla stella di neutroni RX J1856 5 3754. Crediti: ESO

Il professore Roberto Turolla, intervistato da Tom's Hardware Italia, spiega che questa stella in particolare è stata selezionata perché "avevamo bisogno di una stella di neutroni da cui si vedesse l'emissione che viene dalla superficie – e non sono molte. Le stelle che stavamo cercando sono abbastanza calde (nell'ordine di migliaia di gradi) e la loro emissione avviene nell'ordine dei raggi X. Il tipo di misura che volevamo fare (una misura di polarizzazione) non si può ancora fare nei raggi X perché non ci sono al momento satelliti in grado di farla.

Dovevamo quindi individuare una stella di neutroni che fosse abbastanza brillante nell'ottico (nella luce visibile) da poter fare questa misura e la RX J1856.5-3754 era il candidato migliore, appunto perché è abbastanza brillante nell'ottico (comunque è un oggetto debolissimo) e contemporaneamente siamo ragionevolmente sicuri che la luce che emette venga direttamente dalla superficie".

La teoria dell'elettrodinamica quantistica è il nodo centrale di questa ricerca, e non tutti la padroneggiano bene. 

Semplificando al massimo, il professore Turolla ci ha spiegato che "una delle conseguenze prevista negli anni '30 della teoria dell'elettrodinamica quantistica formulata da Werner Heisenberg e Hans Heinrich Euler è che se ho un campo elettromagnetico molto intenso che permea una regione vuota, la luce che si propaga all'interno subisce delle alterazioni delle sue proprietà. Un po' come succede se faccio passare al luce attraverso un cristallo di calcite.

Calcite 20512
Calcite

È un fenomeno ben noto con i cristalli (e la calcite in particolare) che si chiama appunto birifrangenza, ossia entra un raggio di luce e ne escono due. Il vuoto in presenza di un campo magnetico si comporta allo stesso modo, come conseguenza del fatto che il vuoto in realtà non è vuoto, ma popolato da particelle virtuali, e in presenza di un campo magnetico la luce interagisce con le particelle virtuali e produce il fenomeno di birifrangenza".

Che cosa comporta il risultato di questa ricerca in termini di progresso scientifico?

"Questa è una prima apertura verso una serie di misure (e ci auguriamo che il risultato faccia da acceleratore) che si potranno fare per conoscere meglio oggetti molto interessanti ed enigmatici che sono le stelle di neutroni, e che saranno possibili se si concretizzeranno i progetti per mettere in orbita strumenti per fare misure di polarizzazione nella banda X. Con gli stessi strumenti potremmo fare tante altre cose interessanti che riguardano stelle di neutroni con campi magnetici ancora più intensi, e che potrebbero darci delle risposte su come nascono ed evolvono i campi magnetici nelle stelle di neutroni.

Il disco di accrescimento di un buco nero in una rappresentazione artistica della NASA
Il disco di accrescimento di un buco nero in una rappresentazione artistica della NASA

Non solo: penso anche ai dischi di accrescimento attorno ai buchi neri. Non vedremo davvero i buchi neri, ma possiamo sperare di vedere la loro "ombra" proiettata sul disco di accrescimento luminoso che gli sta intorno. Potrebbe essere possibile in un futuro non troppo remoto. Il candidato migliore per questo tipo di misurazione è il buco nero che è al centro della nostra Galassia, e anche in quel caso occorre avere uno strumento che – per dare un'idea – dovrebbe essere così potente da distinguere una moneta da 2 euro alla distanza della Luna. O meglio, dovrebbe essere in grado di distinguere separatamente due monete da 2 euro vicine sulla superficie della Luna, senza restituire un'unica macchia".

Fra quanto potrebbero essere realizzati questi strumenti?

"I progetti sono in fase molto avanzata, se verranno selezionati. Ce ne sono due della NASA in concorrenza fra di loro e uno di ESA. Uno NASA e uno ESA sono molto simili e peraltro montano lo stesso strumento che è italiano (INAF di Roma). Se uno dei due volerà potremmo avere gli strumenti operativi in una decina d'anni".