„Piękny efekt” przewidywany przez elektrodynamikę kwantową (QED) może wyjaśnić zagadkowe pierwsze obserwacje spolaryzowanych promieni rentgenowskich emitowanych przez magnetar – gwiazdę neutronową o silnym polu magnetycznym, według astrofizyka z Cornell.
Oczekiwano, że niezwykle gęsta i gorąca pozostałość po masywnej gwieździe, dysponująca polem magnetycznym 100 bilionów razy silniejszym niż ziemskie, będzie generować wysoce spolaryzowane promieniowanie rentgenowskie, co oznacza, że pole elektromagnetyczne promieniowania nie wibruje przypadkowo, ale ma preferowany kierunek.
Ale naukowcy byli zaskoczeni, gdy satelita NASA Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) wykrył w zeszłym roku, że promienie rentgenowskie o niższej i wyższej energii są spolaryzowane w różny sposób, a pola elektromagnetyczne są zorientowane pod kątem prostym względem siebie.
Zjawisko to można w naturalny sposób wytłumaczyć jako wynik „metamorfozy fotonów” – transformacji fotonów rentgenowskich, o której teoretyzowano, ale nigdy bezpośrednio nie zaobserwowano, powiedział dr Dong Lai. ’94, Benson Jay Simon ’59, MBA ’62, i Mary Ellen Simon, MA ’63, profesor astrofizyki w College of Arts and Sciences.
„W tej obserwacji promieniowania z odległego obiektu niebieskiego widzimy piękny efekt, który jest przejawem skomplikowanej, fundamentalnej fizyki” – powiedział Lai. „QED jest jedną z najbardziej udanych teorii fizycznych, ale nie została przetestowana w warunkach tak silnego pola magnetycznego”.
Lai jest autorem książki „IXPE Detection of Polarized X-rays from Magnetars and Photon Mode Conversion at QED Vacuum Resonance”, opublikowanej 18 kwietnia w Proceedings of the National Academy of Sciences.
Badania opierają się na obliczeniach dr Lai i Wynn Ho. ’03, opublikowany 20 lat temu, zawiera obserwacje zgłoszone przez NASA w listopadzie zeszłego roku magnetara 4U 0142+61, znajdującego się 13 000 lat świetlnych stąd, w gwiazdozbiorze Kasjopei.
Elektrodynamika kwantowa, która opisuje mikroskopijne interakcje między elektronami i fotonami, przewiduje, że gdy fotony rentgenowskie opuszczają cienką atmosferę gorącego, namagnesowanego gazu lub plazmy gwiazdy neutronowej, przechodzą przez fazę zwaną rezonansem próżni.
Tam, powiedział Lai, fotony, które nie mają ładunku, mogą tymczasowo przekształcić się w pary “wirtualnych” elektronów i pozytonów, na które wpływa super silne pole magnetyczne magnetara nawet w próżni, proces zwany “dwójłomnością próżni”. W połączeniu z powiązanym procesem, dwójłomnością plazmy, tworzone są warunki, w których polaryzacja wysokoenergetycznych promieni rentgenowskich zmienia się o 90 stopni w stosunku do niskoenergetycznych promieni rentgenowskich, zgodnie z analizą Lai.
“Możesz myśleć o polaryzacji jako dwóch rodzajach fotonów” – powiedział. „Foton nagle przechodzący z jednego smaku na inny – zwykle nie widać tego rodzaju rzeczy. Ale jest to naturalna konsekwencja fizyki, jeśli zastosujesz teorię w tych ekstremalnych warunkach”.
Misja IXPE nie zaobserwowała zmiany polaryzacji w obserwacjach innego magnetara, zwanego 1RXS J170849.0-400910, z jeszcze silniejszym polem magnetycznym. Lai powiedział, że jest to zgodne z jego obliczeniami, które sugerują, że rezonans próżni i metamorfoza fotonów miałyby miejsce bardzo głęboko wewnątrz takiej gwiazdy neutronowej.
Lai powiedział, że jego interpretacja obserwacji magnetara 4U 0142+61 dokonanych przez IXPE pomogła ograniczyć jego pole magnetyczne i rotację oraz zasugerowała, że jego atmosfera składała się prawdopodobnie z częściowo zjonizowanych ciężkich pierwiastków.
Powiedział, że trwające badania promieniowania rentgenowskiego z niektórych z najbardziej ekstremalnych obiektów we wszechświecie, w tym gwiazd neutronowych i czarnych dziur, umożliwiają naukowcom badanie zachowania materii w warunkach, których nie można odtworzyć w laboratoriach, i przyczyniają się do zrozumienia piękno i różnorodność wszechświata.
„Obserwacje wykonane przez IXPE otworzyły nowe okno do badania środowiska powierzchniowego gwiazd neutronowych” – powiedział Lai. „Doprowadzi to do nowego wglądu w te enigmatyczne obiekty”.