Cette vue d'artiste montre comment la lumière provenant de la surface d'une étoile à neutrons fortement magnétique (à gauche) se polarise linéairement lorsqu'elle se déplace dans le vide de l'espace près de l'étoile en route vers l'observateur sur Terre (à droite). La polarisation de la lumière observée dans le champ magnétique extrêmement fort suggère que l'espace vide autour de l'étoile à neutrons est soumis à un effet quantique connu sous le nom de biréfringence sous vide, une prédiction de l'électrodynamique quantique (QED). Cet effet avait été prédit dans les années 1930 mais n'avait jamais été observé auparavant. Les directions des champs magnétiques et électriques des rayons lumineux sont représentées par les lignes rouges et bleues. Simulations de modèles par Roberto Taverna (Université de Padoue, Italie) et Denis Gonzalez Caniulef (UCL/MSSL, UK) montrent comment ceux-ci s'alignent le long d'une direction préférée lorsque la lumière traverse la région autour de l'étoile à neutrons. Au fur et à mesure qu'ils s'alignent, la lumière se polarise, et cette polarisation peut être détectée par des instruments sensibles sur Terre. Crédit :ESO/L. Calçada
En étudiant la lumière émise par une étoile à neutrons extraordinairement dense et fortement magnétisée à l'aide du Very Large Telescope de l'ESO, les astronomes ont peut-être trouvé les premières indications d'observation d'un étrange effet quantique, prédit pour la première fois dans les années 1930. La polarisation de la lumière observée suggère que l'espace vide autour de l'étoile à neutrons est soumis à un effet quantique connu sous le nom de biréfringence sous vide.
Une équipe dirigée par Roberto Mignani de l'INAF Milan (Italie) et de l'Université de Zielona Gora (Pologne), utilisé le Very Large Telescope (VLT) de l'ESO à l'observatoire de Paranal au Chili pour observer l'étoile à neutrons RX J1856.5-3754, à environ 400 années-lumière de la Terre.
Bien qu'étant parmi les étoiles à neutrons les plus proches, son extrême obscurité signifiait que les astronomes ne pouvaient observer l'étoile qu'avec la lumière visible à l'aide de l'instrument FORS2 sur le VLT, aux limites de la technologie actuelle des télescopes.
Les étoiles à neutrons sont les noyaux résiduels très denses d'étoiles massives - au moins 10 fois plus massives que notre Soleil - qui ont explosé en supernovae à la fin de leur vie. Ils ont aussi des champs magnétiques extrêmes, des milliards de fois plus fort que celui du Soleil, qui imprègnent leur surface extérieure et leur environnement.
Ces champs sont si forts qu'ils affectent même les propriétés de l'espace vide autour de l'étoile. Normalement, un vide est considéré comme complètement vide, et la lumière peut la traverser sans être modifiée. Mais en électrodynamique quantique (QED), la théorie quantique décrivant l'interaction entre les photons et les particules chargées telles que les électrons, l'espace est plein de particules virtuelles qui apparaissent et disparaissent tout le temps. Des champs magnétiques très forts peuvent modifier cet espace de sorte qu'il affecte la polarisation de la lumière qui le traverse.
Mignani explique :« Selon QED, un vide fortement magnétisé se comporte comme un prisme pour la propagation de la lumière, un effet connu sous le nom de biréfringence sous vide."
Parmi les nombreuses prédictions de QED, cependant, la biréfringence sous vide manquait jusqu'à présent d'une démonstration expérimentale directe. Les tentatives pour le détecter en laboratoire n'ont pas encore abouti au cours des années 80 depuis qu'il a été prédit dans un article de Werner Heisenberg (de la renommée du principe d'incertitude) et Hans Heinrich Euler.
Cette image à grand champ montre le ciel autour de l'étoile à neutrons très faible RX J1856.5-3754 dans la constellation australe de Corona Australis. Cette partie du ciel contient également des régions intéressantes de nébulosité sombre et lumineuse entourant l'étoile variable R Coronae Australis (en haut à gauche), ainsi que l'amas d'étoiles globulaires NGC 6723. L'étoile à neutrons elle-même est trop faible pour être vue ici, mais se trouve très près du centre de l'image. Crédit :ESO/Digitized Sky Survey 2
"Cet effet ne peut être détecté qu'en présence de champs magnétiques extrêmement puissants, comme celles qui entourent les étoiles à neutrons. Ceci montre, une fois de plus, que les étoiles à neutrons sont des laboratoires inestimables pour étudier les lois fondamentales de la nature." déclare Roberto Turolla (Université de Padoue, Italie).
Après une analyse minutieuse des données du VLT, Mignani et son équipe ont détecté une polarisation linéaire - à un degré significatif d'environ 16% - qui, selon eux, est probablement due à l'effet stimulant de la biréfringence sous vide se produisant dans la zone d'espace vide entourant le RX J1856.5-3754.
Vincenzo Testa (INAF, Rome, Italie) commente :« C'est l'objet le plus faible pour lequel la polarisation ait jamais été mesurée. Il a nécessité l'un des télescopes les plus grands et les plus efficaces au monde, l'ALV, et des techniques d'analyse de données précises pour améliorer le signal d'une étoile aussi faible."
"La polarisation linéaire élevée que nous avons mesurée avec le VLT ne peut pas être facilement expliquée par nos modèles à moins que les effets de biréfringence du vide prédits par QED soient inclus, " ajoute Mignani.
"Cette étude VLT est le tout premier support d'observation pour les prédictions de ces types d'effets QED se produisant dans des champs magnétiques extrêmement forts, " remarque Silvia Zane (UCL/MSSL, ROYAUME-UNI).
Mignani est enthousiasmé par les améliorations supplémentaires apportées à ce domaine d'étude qui pourraient être apportées avec des télescopes plus avancés :« Mesures de polarisation avec la prochaine génération de télescopes, comme le très grand télescope européen de l'ESO, pourrait jouer un rôle crucial dans le test des prédictions QED des effets de biréfringence du vide autour de nombreuses autres étoiles à neutrons. »
« Cette mesure, fait pour la première fois maintenant en lumière visible, ouvre également la voie à des mesures similaires à effectuer aux longueurs d'onde des rayons X, " ajoute Kinwah Wu (UCL/MSSL, ROYAUME-UNI).
Cette recherche a été présentée dans l'article intitulé "Evidence for vacuum birefringence from the first Optical Polarimetry Measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754", par R. Mignani et al., apparaitre dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society .
