Logran, por primera vez, observar propiedades cuánticas en el espacio vacío

La imagen muestra cómo la luz procedente de una estrella de neutrones se polariza al atravesar el espacio a su alrededor, lo cual es una prueba directa de que en el vacío, los efectos cuánticos están modificando el rayo de luz - ESO/L. Calçada

Investigadores han detectado los efectos que provoca en su entorno una estrella de neutrones a 400 años luz de la Tierra

El espacio vacío no es lo que parece. Y a pesar de que los mejores instrumentos de los astrónomos apenas si consiguen detectar unos pocos granos de polvo por km. cúbico en las enormes distancias que separan las estrellas, o las galaxias, la Física Cuántica nos dice que lo que nosotros conocemos como "vacío" es en realidad un auténtico (y energético) hervidero de partículas virtuales, que aparecen y desaparecen en fracciones de segundo. Sin embargo nadie hasta ahora había logrado pruebas experimentales de que, efectivamente, las cosas son así.

Pero eso acaba de cambiar. De hecho, un equipo de investigadores liderados por Roberto Mignani, del Instituto Nacional de Astrofísica (INAF) italiano, en Milán, junto a científicos de la Universidad polaca de Zielona Gora, han logrado, por primera vez, captar signos inequívocos de esas propiedades cuánticas en el espacio vacío. Para ello, han utilizado el Very Large Telescope (VLT) en el observatorio Paranal, en Chile, y han observado los efectos que provoca en su entorno una lejana estrella de neutrones, RX J1856.5-3754, a 400 años luz de la Tierra. El estudio aparecerá próximamente en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

A pesar de que se trata de una de las estrellas de neutrones más cercanas a nosotros, su extremada oscuridad la hace realmente difícil de observar en el rango de la luz visible. Por eso los investigadores han elegido el espectrógrafo de dispersión FORS2 del VLT, cuyas capacidades lo sitúan en los límites de lo que es capaz la moderna tecnología de telescopios.

Una estrella de neutrones es lo que queda de una estrella que una vez fue brillante y caliente, el núcleo super denso de un astro masivo (por lo menos diez veces más que el Sol), que estalló como supernova y en cuyo interior la materia se ha comprimido tanto que apenas queda espacio libre entre las partículas que lo componen. Además, ese núcleo, y eso es lo más interesante para esta investigación, posee un campo magnético extraordinariamente fuerte (miles de millones de veces más que el del Sol). Tanto, que sus efectos son capaces de alterar el espacio en los alrededores de la estrella.

En otras palabras, el campo magnético de la estrella es tan fuerte que afecta incluso a las propiedades del espacio vacío que la rodea. Normalmente, se considera que el vacío es precisamente eso, un espacio en el que no hay absolutamente nada y a través del cual la luz puede viajar libremente y sin sufrir alteración alguna. Sin embargo, la electrodinámica cuántica (QED), la teoría que describe las interacciones entre los fotones y las partículas con carga eléctrica, como los electrones, nos dice que el "espacio vacío" está, en realidad, lleno de "partículas virtuales" que aparecen y desaparecen constantemente. De forma que un campo magnético lo suficientemente poderoso debería modificar de algún modo ese espacio, hasta el punto de afectar a la polarización de la luz que pasa a través de él.

En palabras de Mignani, "según la QED, un vacío altamente magnetizado se comporta como un prisma en cuanto a la propagación de la luz, un efecto conocido como birrefrigerancia al vacío".

Igual que sucede con muchas predicciones de la electrodinámica cuántica, sin embargo, la birrefrigerancia al vacío carecía, hasta ahora, de una demostración experimental directa. Y ello pese a que se llevan realizando intentos en laboratorios de todo el mundo desde que, hace ya 80 años, el efecto fuera predicho por Werner Heinsenberg (famoso por su principio de indeterminación) y Hans Heinrich Euler.

Un laboratorio en el espacio
Por eso los investigadores han recurrido a las estrellas de neutrones. Ningún laboratorio en la Tierra podría generar un campo magnético ni siquiera parecido al de estos cadáveres estelares. Y un campo magnético de esa potencia resulta fundamental para poder observar el efecto deseado. En este sentido, las estrellas de neutrones son enormes "laboratorios naturales" en los que es posible estudiar, como en ningún otro lugar, las leyes fundamentales de la Naturaleza.

Tras un pormenorizado análisis de los datos del VLT, Mignani y su equipo lograron detectar una polarización lineal en un significativo grado de alrededor del 16%. Lo cual, según los investigadores, se debe con toda probabilidad al efecto de refuerzo de la birrefrigerancia al vacío que ocurre en el espacio alrededor de RX J1856.5-3754. Se trata, según Vincenzo Testa, del INAF, "del objeto más débil en el que se ha logrado medir la polarización. Requirió usar uno de los telescopios más grandes y eficientes del mundo, el VLT, y técnicas de análisis de datos extremadamente precisos para mejorar la señal de una estrella tan débil".

Para el propio Mignani, "la alta polarización lineal que medimos con el VLT no puede ser fácilmente explicada por nuestros modelos a no ser que incluyamos los efectos de birrefrigerancia al vacío predichos por la electrodinámica cuántica". Por eso, este estudio consituye la primera evidencia experimental de esta clase de efectos cuánticos en un espacio vacío.

Mignani se muestra entusiasmado por las mejoras en este campo que podrían surgir con la siguiente generación de telescopios, mucho más avanzados que los actuales: "Las mediciones de polarización con la próxima generación de telescopios, como el European Extremely Large Telescope de ESO, podrían desempeñar un papel crucial en la prueba de predicciones QED de efectos de birrefrigerancia de vacío alrededor de muchas más estrellas de neutrones".

El campo que se abre a partir de ahora, pues, es realmente enorme. Y en el futuro, nuevos efectos cuánticos que hoy siguen perteneciendo al terreno de lo teórico podrían ser demostrados, por fin, empíricamente. Un paso de gigante hacia la comprensión del Universo en que vivimos.

FUENTE: ABC.ES