Neutronenster bevestigt 80 jaar oude voorspelling over quantumeffect

Tachtig jaar geleden werd het al voorspeld, nu is het bewezen: licht verandert van trillingsrichting als het door het magneetveld van neutronensterren gaat. De verandering is niet zichtbaar met het menselijk oog, maar kan wel gemeten worden.

Voor het polarisatie filter trilt het licht in alle richtingen. Na het filter is het licht gepolariseerd in een richting. Beeld: Wikimedia Commons, Fffred
Voor het polarisatie filter trilt het licht in alle richtingen. Na het filter is het licht gepolariseerd in een richting. Beeld: Wikimedia Commons, Fffred

De verandering van trillingsrichting is vergelijkbaar met het effect van weerkaatsing van zonlicht op een meer, of het effect van een Polaroid-zonnebril. Licht dat afkomstig is van sterren zoals de zon bestaat normaal gesproken uit elektromagnetische trillingen in alle richtingen. Zodra dit licht door een Polaroid-zonnebril schijnt, blijft er een enkele trillingsrichting over. Het licht is gepolariseerd.

Tijdelijke deeltjes

Natuurkundigen gaan er al decennia vanuit dat deze polarisatie ook optreedt bij sterke magneetvelden. Deze magneetvelden zouden dan de lege ruimte beïnvloeden. Lege ruimte is volgens de quantumelektrodynamica namelijk niet echt leeg. Aan de lopende band verschijnen en verdwijnen er deeltjes uit het niets. Als er een extreem sterk magnetisch veld aanwezig is, kunnen de tijdelijke deeltjes de trillingsrichting van het aanwezige licht beïnvloeden.

Volgens de voorspelling treedt dit effect pas op bij magneetvelden die miljarden keren sterker zijn dan die van de zon. Zulke enorme velden kunnen we op aarde niet produceren, maar zijn wel te vinden rondom neutronensterren, de supercompacte overblijfselen van zware sterren.

Kunstenaarsimpressie van het sterkte magneetveld van een neutronenster. Beeld: ESO/L. Calçada.

Deze vacuüm-polarisatie van licht werd in 1936 voorspeld door de Duitse natuurkundigen Werner Heisenberg en Hans Heinrich Euler. Tot nu toe kon het bestaan van dit quantumeffect niet bewezen worden, omdat het licht van neutronensterren erg zwak is. Met de komst van de nieuwe generatie telescopen, waaronder de Very Large Telescope (VLT) in Chili, werd dit wel mogelijk. Deze telescopen beschikken over grotere spiegels waardoor zelfs het schaarse licht van neutronensterren opgevangen kan worden.

Wel moesten er eerst nog neutronensterren gevonden worden die waarneembaar zijn vanaf de aarde. ‘Het kost veel tijd en doorzettingsvermogen om zulke neutronensterren te vinden’, zegt Roberto Mignani van het astrofysisch instituut INAF in Milaan die het onderzoek leidde.

Magnificent Seven

Inmiddels zijn er zeven neutronensterren gevonden die dicht genoeg bij de aarde staan. Ze staan bekend als de Magnificent Seven. Met de VLT observeerde een team van Italiaanse, Poolse en Engelse astronomen de meest heldere van de zeven sterren, de RX J1856.5-3754. Na een uitgebreide analyse concludeerden ze dat er een polarisatie te zien was die alleen verklaard kon worden door het voorspelde quantumeffect.

‘Omdat we op aarde niet zulke sterke magneetvelden kunnen produceren zijn neutronensterren de enige plek waar we de voorspelling van Heisenberg en Euler kunnen testen’, zegt astronoom Anna Watts van de universiteit van Amsterdam. ‘Het vinden van dit effect is daarom een van de belangrijkste natuurkundige motivaties om neutronensterren te bestuderen. De bevindingen van het team van Mignani zijn belangrijk en spannend.’

‘Om dit resultaat te verifiëren is het nodig om ook de andere zes neutronensterren bestuderen’, zegt Mignani. Hun licht is echter te zwak voor de VLT. Gelukkig staat de bouw van de European Extremely Large Telescope (E-ELT) op de planning. Met deze nog geavanceerdere telescoop kan de voorspelling van Heisenberg en Euler ook getest worden rondom andere neutronensterren.

‘Er bestaan theoretische modellen die de metingen verklaren zonder vacuüm-polarisatie. Ik hoop dat verdere metingen en de E-ELT de resultaten van Mignani bevestigen’, zegt Watts.

Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.

Lees verder:

Over de auteur

Dorine Schenk

Dorine Schenk is stagiair bij de redactie van New Scientist. Ze studeerde (astro-)deeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam. Daarnaast schreef ze voor WRM Magazine en enkele andere media om zoveel mogelijk alle ontwikkelingen in de natuur- en sterrenkunde te mogen volgen. Volg haar op Twitter via @dorineschenk.



Plaats een reactie