Astrónomos pueden haber encontrado algunas de las pruebas más sólidas hasta ahora de una de las predicciones más extrañas de la mecánica cuántica: incluso el espacio aparentemente vacío puede influir en la manera en que viaja la luz. El fenómeno, conocido como "birefringencia del vacío", fue predicho hace casi 90 años por Werner Heisenberg, uno de los pioneros de la mecánica cuántica, cuyo trabajo sugirió que un vacío perfecto no es realmente vacío, sino que contiene "partículas virtuales" que aparecen y desaparecen brevemente.
Investigadores, incluido el Dr. Marcus Lower de la Universidad de Tecnología de Swinburne, investigaron este misterio cuántico de larga data al estudiar una magnetar, un raro tipo de estrella de neutrones que posee los campos magnéticos más fuertes conocidos en el universo. Sus observaciones pueden representar la primera detección de birefringencia del vacío que ocurre dentro del extraordinariamente potente campo magnético de una magnetar. Si se confirma, el resultado podría dar a los científicos una nueva forma de investigar el universo cuántico. Los hallazgos fueron publicados recientemente en Nature.
Según la teoría, un campo magnético excepcionalmente fuerte puede afectar el mar de partículas virtuales asociadas con el vacío, bajo cuyas condiciones se espera que las partículas influyan en cómo viaja la luz, refractándola de manera específica y produciendo birefringencia del vacío. Las magnetares proporcionan una oportunidad rara para buscar este efecto porque sus campos magnéticos son lo suficientemente potentes como para hacer que el comportamiento cuántico predicho sea potencialmente observable.
El Dr. Lower fue parte de un equipo de investigación internacional que estudió la magnetar 1E 1547.0-5408 usando el Explorador de Polarimetría de Rayos X de Imágenes de la NASA (IXPE). Las observaciones fueron apoyadas por el telescopio de rayos X NICER a bordo de la Estación Espacial Internacional y por Murriyang, el radiotelescopio Parkes del CSIRO, que es propiedad y está operado por la agencia nacional de ciencia de Australia. Las observaciones de radio recopiladas por el Dr. Lower usando Murriyang, seguidas de análisis en la supercomputadora Ngarrgu Tindebeek de Swinburne, ayudaron a los investigadores a investigar lo que podría ser la primera detección directa de este fenómeno cuántico previamente teórico.
El Dr. Lower señaló que aunque la birefringencia del vacío fue predicha en los años treinta, los científicos aún no han obtenido una detección definitiva. "Detectar la birefringencia del vacío requiere un campo magnético más de 100 millones de veces más fuerte que cualquiera que hayamos creado en la Tierra. Afortunadamente, la naturaleza nos ha proporcionado magnetares, que son los laboratorios cósmicos perfectos para buscar este efecto", indicó.
Los investigadores siguieron de cerca cómo cambiaban de dirección las ondas de radio provenientes de la magnetar a medida que la estrella rotaba. A partir de esas mediciones, determinaron que los ejes magnético y rotacional de 1E 1547 están casi alineados, y que la magnetar se observa desde una perspectiva casi frontal. Juntas, esas características dan a los científicos una vista inusualmente favorable para buscar birefringencia del vacío alrededor de 1E 1547.
El equipo encontró dos pistas importantes que apuntan hacia el efecto cuántico: rayos X generados por la magnetar y detectados por IXPE mostraron niveles extremadamente altos de polarización, y la dirección de esa polarización se mantuvo vinculada al campo magnético de 1E 1547 de la misma manera observada en las observaciones de radio. "Debido a la fortaleza del campo magnético, las partículas virtuales de Heisenberg se alinean con la dirección en que apunta el campo", dijo el Dr. Lower.
Si la interpretación se confirma, el resultado podría ayudar a los físicos a probar cómo se comportan las teorías establecidas de la física cuántica bajo algunas de las condiciones más extremas encontradas en cualquier parte del universo. El Dr. Lower señaló que observaciones adicionales y simulaciones computacionales más avanzadas podrían ayudar a establecer si la señal realmente proviene de birefringencia del vacío. Esas mejoras deberían facilitar que los investigadores distingan la firma cuántica predicha de otros procesos físicos que ocurren alrededor de magnetares. "Con estos datos futuros en mano y nuestras simulaciones actualizadas, finalmente podríamos completar la búsqueda iniciada por Heisenberg hace casi 90 años", concluyó.
