Het licht van een nabije neutronenster lijkt te getuigen van een vreemd kwantumeffect dat tachtig jaar geleden al voorspeld werd, maar nog nooit is waargenomen.

Onderzoekers Werner Heisenberg en Hans Heinrich Euler voorspelden tachtig jaar geleden het bestaan van een vreemd kwantumeffect dat ze vacuüm-dubbelbreking doopten. De volgende stap was natuurlijk: het kwantumeffect detecteren. Diverse pogingen in het laboratorium liepen echter op niets uit.

Neutronensterren
“Dit effect kan alleen worden gedetecteerd in aanwezigheid van enorm sterke magnetische velden,” vertelt onderzoeker Roberto Turolla. Maar ja, waar vind je die? Nou, rond neutronensterren bijvoorbeeld. Een neutronenster is het compacte overblijfsel van de kern van een zware ster die aan het einde van zijn leven is ontploft. Het magnetisch veld van zo’n neutronenster is miljarden keren sterker dan het magnetisch veld van onze zon.

“Volgens de kwantumelektrodynamica gedraagt een sterk magnetisch veld zich als een soort prisma”

Vacuüm-dubbelbreking
Het magnetisch veld van zo’n neutronenster is van invloed op de eigenschappen van de lege ruimte rond de ster. Normaliter is zo’n vacuüm helemaal leeg en kan het licht erdoorheen bewegen zonder te veranderen. Maar volgens de kwantumelektrodynamica – de kwantumtheorie die de interactie tussen fotonen van licht en geladen deeltjes zoals elektronen beschrijft – wemelt de lege ruimte van de virtuele deeltjes die dan weer verschijnen en dan weer verdwijnen. Krachtige magnetische velden kunnen deze ruimte echter zo veranderen dat deze de polarisatie van licht dat erdoorheen gaat, beïnvloedt. “Volgens de kwantumelektrodynamica gedraagt een sterk magnetisch veld zich als een soort prisma – een effect dat vacuüm-dubbelbreking wordt genoemd,” legt onderzoeker Roberta Mignani uit.

Onderzoek
En onderzoekers denken sporen van dat vreemde kwantumeffect nu in de ruimte te hebben gespot. En wel tijdens het bestuderen van de neutronenster RX J1856.5-3754. Deze ster bevindt zich op ongeveer 400 lichtjaar afstand en behoort daarmee tot de meest nabije neutronensterren. Maar dat wil niet zeggen dat deze gemakkelijk te observeren is: het zichtbare licht ervan is extreem zwak. Het vraagt dan ook het uiterste van de huidige telescooptechnologie om deze neutronenster te observeren. Maar met behulp van het FORS2-instrument van de Very Large Telescope (VLT) is het dan toch gelukt.

Hier zie je hoe licht - dat van het oppervlak van een sterk magnetische neutronenster (links) komt, lineair gepolariseerd raakt terwijl het zich door het vacuüm van de ruimte in de naaste omgeving van de ster, in de richting van een waarnemer op aarde (rechts) begeeft. De polarisatie van het licht wijst erop dat de lege ruimte rond de neutronenster onderhevig is aan vacuüm-dubbelbreking. Afbeelding: ESO / L. Calçada.

Hier zie je hoe licht – dat van het oppervlak van een sterk magnetische neutronenster (links) komt, lineair gepolariseerd raakt terwijl het zich door het vacuüm van de ruimte in de naaste omgeving van de ster, in de richting van een waarnemer op aarde (rechts) begeeft. De polarisatie van het licht wijst erop dat de lege ruimte rond de neutronenster onderhevig is aan vacuüm-dubbelbreking. Afbeelding: ESO / L. Calçada.

De onderzoekers bestudeerden het licht van de neutronenster en de polarisatie van dat licht suggereert dat de lege ruimte rond de neutronenster onderhevig is aan vacuüm-dubbelbreking. “De sterke lineaire polarisatie die we met de VLT hebben gemeten laat zich niet gemakkelijk verklaren zonder de door de kwantumelektrodynamica voorspelde vacuüm-dubbelbreking,” stelt Mignani. “Dit VLT-onderzoek is het allereerste observationele bewijs voor dit type kwantumelektrodynamica-effecten die door extreem sterke magnetische velden worden veroorzaakt,” voegt onderzoeker Sylvia Zane toe. “Daarmee is eens te meer aangetoond dat neutronensterren van onschatbare waarde zijn voor het onderzoek van fundamentele natuurwetten,” aldus Turolla.