Hinweise auf hypothetischen Quanteneffekt im leeren Raum

Astronomen haben im Licht eines ungewöhnlich dichten und stark magnetisierten Neutronensterns möglicherweise die ersten Hinweise auf einen Quanteneffekt gefunden, der in den 1930er-Jahren erstmals vorhergesagt wurde. Demnach können extrem starke Magnetfelder die Eigenschaften des leeren Raums derart beeinflussen, dass eine Polarisation des hindurchtretenden Lichts auftritt. Über ihre Ergebnisse berichten die Astronomen in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“.

Die Polarisation des Lichts, das von einem Neutronenstern emittiert wird.
Polarisation des Lichts von einem Neutronenstern

Das Team um Roberto Mignani vom Nationalen Institut für Astrophysik in Mailand beobachtete mit dem Very Large Telescope in Chile den Neutronenstern RXJ1856.5-3754, der etwa 400 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Neutronensterne weisen Magnetfelder auf, die milliardenfach stärker sind als das unserer Sonne und auch den leeren Raum um sie herum durchdringen. „Gemäß der Quantenelektrodynamik verhält sich ein hochmagnetisiertes Vakuum für die Ausbreitung des Lichts wie ein Prisma – ein Effekt, der als Vakuumdoppelbrechung bekannt ist“, erläutert Mignani. Denn dieser Theorie zufolge ist das Vakuum nicht leer, sondern voller sogenannter virtueller Teilchen, die ständig entstehen und wieder verschwinden.

Die Auswertung der Beobachtungsdaten zeigte, dass ein Teil des vom Neutronenstern ausgesandten Lichts linear polarisiert ist, und zwar rund 16 Prozent. „Unsere Modelle können die hohe lineare Polarisation, die wir mit dem VLT gemessen haben, nur schwer erklären, wenn die durch die Quantenelektrodynamik prognostizierten Effekte der Vakuumdoppelbrechung nicht berücksichtigt werden“, so Mignani. Das Team prüfte auch andere Prozesse, die das Sternenlicht polarisieren können, wie etwa die Streuung an Staubkörnern, hält es allerdings für unwahrscheinlich, dass sie für das beobachtete Polarisationssignal verantwortlich sind.

Seit seiner Vorhersage in einem Fachartikel von Werner Heisenberg und Hans Heinrich Euler vor 80 Jahren sind bisher alle Versuche gescheitert, den Effekt der Vakuumdoppelbrechung im Labor nachzuweisen. „Polarisationsmessungen mit der nächsten Generation an Teleskopen, wie dem European Extremly Large Telescope der ESO, könnten eine entscheidende Rolle dabei spielen, die Effekte der Vakuumdoppelbrechung an vielen weiteren Neutronensternen zu untersuchen“, so Mignani.