Pierwsze oznaki dziwnej kwantowej własności próżni?

dnia 30/11/2016
Polaryzacja światła emitowanego przez gwiazdę neutronową

Polaryzacja światła emitowanego przez gwiazdę neutronową

Obserwacje gwiazdy neutronowej przy pomocy VLT mogą potwierdzić 80-letnie przewidywania na temat próźni.

Przy pomocy należącego do ESO Bardzo Dużego Teleskopu (VLT) astronomowie zbadali światło emitowane przez wyjątkowo gęstą i magnetyczną gwiazdę neutronową i być może odkryli pierwsze obserwacyjne przesłanki na występowanie osobliwego efektu kwantowego przewidzianego po raz pierwszy w latach 30. ubiegłego wieku. Polaryzacja obserwowanego światła wskazuje, że pusta przestrzeń wokół gwiazdy neutronowej podlega efektowi kwantowemu znanemu jako dwójłomność próżni.

Zespół, którym kierował Roberto Mignani z mediolańskiego INAF oraz z Uniwersytetu Zielonogórskiego (Polska), wykorzystał należący do ESO Bardzo Duży Teleskop (VLT) znajdujący się w Obserwatorium Paranal w Chile do obserwacji gwiazdy neutronowej RX J1856.5-3754 znajdującej się 400 lat świetlnych od Ziemi.

Niebo wokół słabej gwiazdy neutronowej

Mimo iż jest jedną z najbliższych nam gwiazd neutronowych, jej słaby blask powoduje, że astronomowie mogą obserwować tę gwiazdę w świetle widzialnym jedynie przy pomocy instrumentu FORS2 na teleskopie VLT na samej granicy obecnych możliwości obserwacyjnych.

Gwiazdy neutronowe to bardzo gęste pozostałości po jądrach masywnych gwiazd – co najmniej 10 razy masywniejszych niż nasze Słońce – które pod koniec swojego życia wybuchły jako supernowe. Charakteryzują się one potężnymi polami magnetycznymi, miliardy razy silniejszymi od pola magnetycznego Słońca.

VLT image of the area around the very faint neutron star RX J185

Pola te są tak silne, że mogą nawet wpływać na własności pustej przestrzeni wokół gwiazdy. Zazwyczaj próżnię uważa się za całkowicie pustą, a więc światło może przez nią podróżować bez jakichkolwiek zmian. Ale w elektrodynamice kwantowej (QED), kwantowej teorii opisującej oddziaływania pomiędzy fotonami, a naładowanymi cząstkami, takimi jak elektrony, przestrzeń pełna jest wirtualnych cząstek, które jednocześnie pojawiają się i znikają. Bardzo silne pola magnetyczne mogą modyfikować tę przestrzeń tak, iż wpływa to na polaryzację światła przez nią przechodzącego.

Mignani wyjaśnia: „Zgodnie z teorią QED, mocno namagnetyzowana próżnia zachowuje się jak pryzmat i wpływa na propagację światła. Efekt ten nazywany jest dwójłomnością próżni.”

Jednak tak jak wiele przewidywań teorii elektrodynamiki kwantowej, dwójłomność próżni jak dotąd nie została w bezpośredni sposób zademonstrowana eksperymentalnie. Próby wykrycia jej w laboratorium nie przyniosły sukcesu w ciągu 80 lat od przewidzenia tego efektu przez Wernera Heisenberga (znanego z zasady nieoznaczoności) i Hansa Heinricha Eulera.

Efekt ten może zostać wykryty tylko w przypadku obecności niesamowicie silnych pól magnetycznych, takich jak te obserwowane wokół gwiazd neutronowych. To kolejny przykład na to, że gwiazdy neutronowe są bezcennymi laboratoriami do badania fundamentalnych praw przyrody” mówi Roberto Turolla (Uniwersytet w Padwie, Włochy).

Po dokładnej analizie danych z VLT, Mignani i jego zespół wykryli liniową polaryzację — rzędu około 16% — którą określili jako wywołaną najprawdopodobniej wzmacniającym efektem dwójłomności próżni, zachodzącym w obszarze pustej przestrzeni otaczającej RX J1856.5-3754.

Vincenzo Testa (INAF, Rzym, Włochy) komentuje: Jest to najsłabszy obiekt, dla którego udało się jak dotąd zmierzyć polaryzację. Wymagało to największych i najbardziej wydajnych teleskopów na świecie oraz odpowiednich technik obróbki danych.”

Dużej liniowej polaryzacji, którą zmierzyliśmy przy pomocy VLT, nie można łatwo wyjaśnić naszymi modelami, jeśli nie uwzględni się efektów dwójłomności próżni przewidywanych przez elektrodynamikę kwantową” dodaje Mignani.

Niniejsze badania z użyciem VLT są pierwszym obserwacyjnym potwierdzeniem przewidywań tego rodzaju efektu w ekstremalnie silnym polu magnetycznym” zaznacza Silvia Zane (UCL/MSSL, Wielka Brytania).

Mignani liczy, że dalszy rozwój te dziedziny nauki czeka nas, gdy uruchomione zostaną teleskopy kolejnej generacji: „Pomiary polaryzacji przy pomocy następnej generacji teleskopów, takich jak budowany przez ESO teleskop E-ELT, mogą odgrywać kluczową rolę w testowaniu przewidywań elektrodynamiki kwantowej dotyczących efektów dwójłomności próżni wokół większej liczby gwiazd neutronowych.”

„Nasz pomiar, po raz pierwszy wykonany w zakresie światła widzialnego, przeciera także szlaki dla podobnych pomiarów na falach rentgenowskich” dodaje Kinwah Wu.

Źródło: ESO