Premiers signes de l’étrange propriété quantique du vide ?

L’analyse, au moyen du Very Large Telescope de l’ESO, de la lumière émise par une étoile à neutrons caractérisée par une extrême densité et un puissant champ magnétique, a peut-être conduit une équipe d’astronomes à mettre en évidence les toutes premières preuves de l’existence d’un étrange effet quantique, envisagée au cours des années 1930. La polarisation de la lumière observée suggère que l’espace vide situé en périphérie de l’étoile à neutrons est l’objet d’un effet quantique baptisé biréfringence du vide.

Une équipe pilotée par Roberto Mignani de l’INAF Milan (Italie) et de l’Université de Zielona Gora (Pologne) a utilisé le Very Large Telescope (VLT) de l’ESO installé à l’Observatoire de Paranal au Chili pour observer l’étoile à neutrons RX J1856.5-3754 distante de quelque 400 années-lumière de la Terre.

Bien qu’elle figure parmi les étoiles à neutrons les plus proches de la Terre, RX J1856.5-3754 se caractérise par une luminosité extrêmement faible. Pour pouvoir observer cette étoile dans le domaine visible, les astronomes ont donc été contraints d’utiliser l’instrument FORS2 qui équipe le VLT, poussant le télescope à sa limite technologique.

Les étoiles à neutrons constituent les vestiges des noyaux extrêmement denses d’étoiles massives – de masse supérieure à 10 masses solaires – qui ont explosé en supernovae à la fin de leur vie. Elles sont par ailleurs dotées de champs magnétiques extrêmes, des milliards de fois plus puissants que celui du Soleil, qui transpercent leur enveloppe externe et baignent leur environnement proche.

Du fait de leur intensité, ces champs affectent les propriétés de l’espace vide situé en périphérie de l’étoile. En règle générale, le terme vide désigne un espace totalement vierge, que la lumière peut traverser sans subir la moindre perturbation. En électrodynamique quantique (QED) toutefois, cette théorie quantique qui décrit l’interaction entre particules de lumière et corpuscules chargés tels les électrons, l’espace est rempli de particules virtuelles qui apparaissent et disparaissent à chaque instant. Les champs magnétiques très intenses sont susceptibles de modifier cet espace, et donc de modifier la polarisation de la lumière qui le traverse.

Mignani de préciser : “Selon la QED, un vide fortement magnétisé se comporte à l’image d’un prisme vis à vis de la propagation de la lumière, et produit un effet baptisé biréfringence du vide.”

La QED a donné lieu à la formulation de nombreuses hypothèses qui se sont avérées exactes. Toutefois, le concept de biréfringence du vide n’a pour l’instant pas trouvé le moindre écho expérimental. Les expériences de laboratoire menées ces 80 dernières années – depuis sa formulation au sein d’un article co-signé par Werner Heisenberg (auteur du célèbre principe d’incertitude) et Hans Heinrich Euler – n’ont effectivement pas permis de le mettre en évidence.

“Cet effet ne se manifeste qu’en présence de champs magnétiques extrêmement puissants, tels ceux qui règnent en périphérie d’étoiles à neutrons. Ce qui témoigne, là encore, des formidables laboratoires d’étude des lois fondamentales de la nature que constituent les étoiles à neutrons” précise Roberto Turolla (Université de Padoue, Italie).

Après avoir effectué l’analyse minutieuse des données du VLT, Mignani et son équipe ont détecté un effet de polarisation linéaire – d’environ 16%, ce qui est significatif – qu’ils ont interprété comme la résultante directe de la biréfringence du vide qui se produit au sein de l’espace vide situé en périphérie de RX J1856.5-3754 [2].

Vincenzo Testa (INAF Rome, Italie) d’ajouter : “Il s’agit de l’objet le plus faiblement lumineux dont la polarisation du rayonnement qu’il émet a jamais été mesurée. Cette mesure a requis l’utilisation de l’un des télescopes les plus grands et les plus performants au monde, le VLT, ainsi que l’emploi de techniques d’analyses de données très précises, capables d’amplifier le signal en provenance d’une étoile si peu brillante.”

“Nos modèles ne peuvent rendre compte de la polarisation linéaire élevée que nous avons mesurée au moyen du VLT, qu’à la condition d’y inclure les effets de biréfringence du vide prédits par la QED”, précise Mignani.

“Cette étude réalisée avec le VLT apporte le tout premier élément de preuve observationnelle en faveur de ces types d’effets QED censés se produire au sein de champs magnétiques extrêmement puissants” ajoute Silvia Zane (UCL/MSSL, Royaume Uni).

Mignani est enthousiaste à l’idée que la prochaine génération de télescopes contribue à des avancées dans ce domaine de recherche : “Les mesures de polarisation effectuées au moyen de télescopes plus perfectionnés, tel l’E-ELT, l’European Extremely Large Telescope de l’ESO, pourraient permettre de tester les prédictions de la QED relatives aux effets de la biréfringence du vide dans la périphérie d’un plus grand nombre d’étoiles à neutrons”.

“Cette mesure, effectuée pour la toute première fois en lumière visible, ouvre la voie à de semblables détections dans le domaine des rayons X”, conclut Kinwah Wu (UCL/MSSL, Royaume-Uni).

Notes

[1] Cet objet fait partie intégrante d’un ensemble d’étoiles à neutrons baptisé Les Sept Magnifiques. Ce sont des étoiles à neutrons isolées (INS), dépourvues de tout compagnon stellaire, qui n’émettent aucun rayonnement radio (à la différence des pulsars) et ne sont pas environnées de matière issue d’une supernova.

[2] D’autres processus peuvent polariser la lumière stellaire au cours de son déplacement. L’équipe a soigneusement examiné ces autres hypothèses – la polarisation résultant de la diffusion par les grains de poussière par exemple – avant de les éliminer une à une, aucune d’elles ne leur apparaissant susceptible d’avoir généré le signal observé.

Plus d’informations

Ce travail de recherche a fait l’objet d’un 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., à paraître au sein de la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Source : eso