Cromodinámica, birrefringencia y otras palabras que molan

¿Saben qué le ocurre a una estrella cuya masa es más grande que la de nuestro Sol cuando llega al final de su vida? Les iba a poner una comparativa muy ilustrativa, pero prefiero dejarla para dentro de unos días, ya verán porqué. Sin salirnos del tema, algunos de ustedes sabrán que con una masa superior a 4 veces la del Sol, la estrella estallará como supernova; pero si es más de 10 veces superior, además de explotar, en el centro de la explosión quedará una estrella de neutrones, esto es, un denso remanente cuyos campos magnéticos son mucho más intensos que los del Sol. Y  cuando digo mucho, digo mucho. No me refiero a 10 o 20 veces más intensos: miles de millones de veces.

A 400 años luz de nosotros en dirección a la constelación de la Corona Austral se encuentra una de estas estrellas de neutrones con un nombre tan pegadizo como el de RX J1856.5-3754, y tiene una intensidad de campo magnético que incluso el vacío del espacio se ve alterado, porque ante semejante fuerza entra en juego lo que conocemos como electrodinámica cuántica (QED, por sus siglas en inglés). Pero por favor, no se me asusten ante semejante palabro porque es sencillo de entender: la QED describe la interacción entre los fotones que forman la luz y las partículas cargadas, como por ejemplo electrones. Cuando fotones y electrones interactúan en un entorno de altísima intensidad electromagnética, el modo de vibrar de las ondas de luz se ve modificado.

This artist’s view shows how the light coming from the surface of a strongly magnetic neutron star (left) becomes linearly polarised as it travels through the vacuum of space close to the star on its way to the observer on Earth (right). The polarisation of the observed light in the extremely strong magnetic field suggests that the empty space around the neutron star is subject to a quantum effect known as vacuum birefringence, a prediction of quantum electrodynamics (QED). This effect was predicted in the 1930s but has not been observed before. The magnetic and electric field directions of the light rays are shown by the red and blue lines. Model simulations by Roberto Taverna (University of Padua, Italy) and Denis Gonzalez Caniulef (UCL/MSSL, UK) show how these align along a preferred direction as the light passes through the region around the neutron star. As they become aligned the light becomes polarised, and this polarisation can be detected by sensitive instruments on Earth.

Esquema que muestra cómo la luz procedente de la superficie de una estrella de neutrones fuertemente magnética (izquierda) se polariza linealmente a medida que viaja a través del vacío del espacio cercano en su camino hacia el observador en la Tierra. Créditos: ESO/L. Calçada.

De este fenómeno se ha dado cuenta un equipo de científicos liderado por Roberto Mignani, científico del INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) en Milán (Italia) y autor principal de un artículo que explica este fenómeno (R. Mignani et al., 2016). Además, han encontrado una consecuencia que si lo de la electrodinámica cuántica les ha parecido un bonito palabro, aprétense los machos porque ahora viene otro: birrefringencia de vacío. Pero tranquilos que ahora les cuento en cristiano: aplicando la QED, el vacío se comporta como un prisma que descompone la luz.

This wide field image shows the sky around the very faint neutron star RX J1856.5-3754 in the southern constellation of Corona Australis. This part of the sky also contains interesting regions of dark and bright nebulosity surrounding the variable star R Coronae Australis (upper left), as well as the globular star cluster NGC 6723. The neutron star itself is too faint to be seen here, but lies very close to the centre of the image.

Imagen de amplio campo de la zona que rodea la estrella de neutrones RX J1856.5-3754. Créditos: ESO/Digitized Sky Survey 2.

Y queridos amigos, aquí llega lo gordo: la birrefringencia de vacío carecía de una demostración experimental directa desde que fue predicha en 1936 a través de un artículo escrito por dos de los más grandes: Werner Heisenberg y Hans Heinrich Euler (W. Heisenberg & H. Euler, 1936). Y ahora, gracias al equipo de Mignani y que analizó RX J1856.5-3754 con el VLT (Very Large Telescope), han llegado a indicios para demostrar este efecto. “La alta polarización lineal que medimos con el VLT no puede explicarse fácilmente con nuestros modelos, a menos que incluyamos los efectos de birrefringencia de vacío predichos por la QED”, explica el propio Mignani.

Así que, poco a poco vamos conociendo un poco más esos recovecos que nos ofrecen las teorías cuánticas y que son tan complejas de estudiar con la instrumentación de la que disponemos actualmente. ¡Bravo por la birrefringencia y la cromodinámica!

Referencias:
– R. Mignani et al. (2016). “Evidence for vacuum birefringence from the first optical polarimetry measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754“. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, arXiv:1610.08323v1.
– W. Heisenberg & H. Euler (1936). “Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons“. Z. Physik 98 714.
First Signs of Weird Quantum Property of Empty Space?
Posibles primeras señales en el espacio vacío de una extraña propiedad cuántica.

Agradecimientos:
– Davide de Martin.

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