Αστρονόμοι ανακάλυψαν ένα φαινόμενο της κβαντικής φυσικής σε έναν αστέρα νετρονίων που ονομάζεται διπλοθλαστικό-τητα του κενού.
Μελετώντας το φως που εκπέμπει ένας εξαιρετικά πυκνός αστέρας νετρονίων, ο οποίο περιβάλλεται από ισχυρό μαγνητικό πεδίο, αστρονόμοι βρήκαν για πρώτη φορά ενδείξεις για ένα παράδοξο φαινόμενο της κβαντικής φυσικής. Το φαινόμενο αυτό, το οποίο ονομάζεται διπλοθλαστικότητα του κενού (Vacuum Birefringence), έχει προβλεφθεί από τη δεκαετία του 1930.
Για τις παρατηρήσεις της, η ομάδα των αστρονόμων χρησιμοποίησε ένα το FORS2 του Πολύ Μεγάλου Τηλεσκοπίου, το οποίο ανήκει στο Ευρωπαϊκό Νότιο Παρατηρητήριο (ESO) και βρίσκεται στο Αστεροσκοπείο Παρανάλ της Χιλής. Με αυτό μελέτησε τον αστέρα νετρονίων RX J1856.5-3754, ο οποίος βρίσκεται σε απόσταση 400 ετών φωτός από τη Γη.
Σε αστέρες νετρονίων καταλήγουν μεγάλα άστρα, με μάζα τουλάχιστον 10πλάσια από τον Ήλιο. Εκτός από την πολύ μεγάλη πυκνότητά τους, αυτά τα ουράνια σώματα διαθέτουν πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο, δισεκατομμύρια φορές ισχυρότερο από τον Ήλιο.
Τα πεδία αυτά έχουν τόσο μεγάλη ένταση που μπορούν να επηρεάσουν ακόμη και τις ιδιότητες του κενού χώρου που περιβάλλει τους αστέρες. Στα πλαίσιο της κλασικής φυσικής, ως κενός ορίζεται ο χώρος που είναι εντελώς άδειος από ύλη, κάτι που σημαίνει πως το φως διαδίδεται εντός του αμετάβλητο.
Στο πλαίσιο όμως της κβαντικής φυσικής, και πιο συγκεκριμένα της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής που εξηγεί τις αλληλεπιδράσεις των φωτονίων με φορτισμένα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, ο κενός χώρος είναι γεμάτος από εικονικά σωματίδια, τα οποία παράγονται και εξαϋλώνονται πολύ γρήγορα.
Αυτό σημαίνει πως, αν υπάρχει ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, ο κενός χώρος μεταβάλλει μία ιδιότητα του διερχόμενου φωτός, η οποία είναι γνωστή ως πόλωση. Όπως χαρακτηριστικά εξηγεί στο σάιτ του ESO ο Ρομπέρτο Μινιάνι, από το Εθνικό Ινστιτούτο Αστροφυσικής στο Μιλάνο και μέλος της ομάδας: «Σύμφωνα με την κβαντική ηλεκτροδυναμική, υπό την επίδραση ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου, το κενό επηρεάζει τη διάδοση του φωτός όπως ένα πρίσμα. Ένα φαινόμενο που είναι γνωστό ως διπλοθλαστικότητα του κενού».
Για τις παρατηρήσεις της, η ομάδα των αστρονόμων χρησιμοποίησε ένα το FORS2 του Πολύ Μεγάλου Τηλεσκοπίου, το οποίο ανήκει στο Ευρωπαϊκό Νότιο Παρατηρητήριο (ESO) και βρίσκεται στο Αστεροσκοπείο Παρανάλ της Χιλής. Με αυτό μελέτησε τον αστέρα νετρονίων RX J1856.5-3754, ο οποίος βρίσκεται σε απόσταση 400 ετών φωτός από τη Γη.
Σε αστέρες νετρονίων καταλήγουν μεγάλα άστρα, με μάζα τουλάχιστον 10πλάσια από τον Ήλιο. Εκτός από την πολύ μεγάλη πυκνότητά τους, αυτά τα ουράνια σώματα διαθέτουν πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο, δισεκατομμύρια φορές ισχυρότερο από τον Ήλιο.
Τα πεδία αυτά έχουν τόσο μεγάλη ένταση που μπορούν να επηρεάσουν ακόμη και τις ιδιότητες του κενού χώρου που περιβάλλει τους αστέρες. Στα πλαίσιο της κλασικής φυσικής, ως κενός ορίζεται ο χώρος που είναι εντελώς άδειος από ύλη, κάτι που σημαίνει πως το φως διαδίδεται εντός του αμετάβλητο.
Στο πλαίσιο όμως της κβαντικής φυσικής, και πιο συγκεκριμένα της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής που εξηγεί τις αλληλεπιδράσεις των φωτονίων με φορτισμένα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, ο κενός χώρος είναι γεμάτος από εικονικά σωματίδια, τα οποία παράγονται και εξαϋλώνονται πολύ γρήγορα.
Αυτό σημαίνει πως, αν υπάρχει ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, ο κενός χώρος μεταβάλλει μία ιδιότητα του διερχόμενου φωτός, η οποία είναι γνωστή ως πόλωση. Όπως χαρακτηριστικά εξηγεί στο σάιτ του ESO ο Ρομπέρτο Μινιάνι, από το Εθνικό Ινστιτούτο Αστροφυσικής στο Μιλάνο και μέλος της ομάδας: «Σύμφωνα με την κβαντική ηλεκτροδυναμική, υπό την επίδραση ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου, το κενό επηρεάζει τη διάδοση του φωτός όπως ένα πρίσμα. Ένα φαινόμενο που είναι γνωστό ως διπλοθλαστικότητα του κενού».
Ωστόσο, όπως και αρκετές ακόμη προβλέψεις της συγκεκριμένης θεωρίας, το φαινόμενο αυτό δεν έχει μέχρι σήμερα επιβεβαιωθεί από πειράματα, καθώς χρειαζόταν ένα πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Έτσι, παρέμενε μία θεωρητική υπόθεση έως σήμερα, 80 χρόνια από διατυπώθηκε για πρώτη φορά από τον διάσημο φυσικό Βέρνερ Χάιζενμπεργκ και τον μαθητή του Χάινριχ Όιλερ.
Χρησιμοποιώντας όμως ως πειραματικό εργαστήριο τον αστέρα νετρονίων, και αναλύοντας τα δεδομένα που συγκέντρωσαν, οι αστρονόμοι εντόπισαν μία διαταραχή («γραμμική πόλωση») του φωτός, η οποία αγγίζει το 16%. Ένα αποτέλεσμα που, όπως υποστηρίζουν, δεν μπορεί να εξηγηθεί εύκολα από τα μοντέλα τους, εκτός αν συμπεριλάβουν την επίδραση της διπλοθλαστικότητας του κενού.
Προς το παρόν, οι επιστήμονες μιλούν για ενδείξεις και όχι για αποδείξεις, οι οποίες ωστόσο θα μπορούσαν να προκύψουν από πιο προηγμένα τηλεσκόπια, όπως το Εξαιρετικά Μεγάλο Τηλεσκόπιο του ESO που βρίσκεται υπό κατασκευή. Επίσης, σημειώνουν πως η ανακάλυψή τους ανοίγει τον δρόμο για ανάλογες μελέτες όχι μόνο στο ορατό φως, αλλά και στα μήκη κύματος των ακτίνων Χ.
ESO, arxiv, sci-news.com
Δείτε το παρακάτω video που εξηγεί το φαινόμενο που αναλύσαμε.
Χρησιμοποιώντας όμως ως πειραματικό εργαστήριο τον αστέρα νετρονίων, και αναλύοντας τα δεδομένα που συγκέντρωσαν, οι αστρονόμοι εντόπισαν μία διαταραχή («γραμμική πόλωση») του φωτός, η οποία αγγίζει το 16%. Ένα αποτέλεσμα που, όπως υποστηρίζουν, δεν μπορεί να εξηγηθεί εύκολα από τα μοντέλα τους, εκτός αν συμπεριλάβουν την επίδραση της διπλοθλαστικότητας του κενού.
Προς το παρόν, οι επιστήμονες μιλούν για ενδείξεις και όχι για αποδείξεις, οι οποίες ωστόσο θα μπορούσαν να προκύψουν από πιο προηγμένα τηλεσκόπια, όπως το Εξαιρετικά Μεγάλο Τηλεσκόπιο του ESO που βρίσκεται υπό κατασκευή. Επίσης, σημειώνουν πως η ανακάλυψή τους ανοίγει τον δρόμο για ανάλογες μελέτες όχι μόνο στο ορατό φως, αλλά και στα μήκη κύματος των ακτίνων Χ.
ESO, arxiv, sci-news.com
Δείτε το παρακάτω video που εξηγεί το φαινόμενο που αναλύσαμε.
In English
Neutron stars are the very dense remnant cores of massive stars that have exploded as supernovae at the ends of their lives.
They also have extreme magnetic fields — billions of times stronger than that of the Sun — that permeate their outer surface and surroundings. These fields are so strong that they even affect the properties of the empty space around the star.
Normally a vacuum is thought of as completely empty, and light can travel through it without being changed.
But in quantum electrodynamics (QED), the quantum theory describing the interaction between photons and charged particles such as electrons, space is full of virtual particles that appear and vanish all the time.
Very strong magnetic fields can modify this space so that it affects the polarization of light passing through it.
“According to QED, a highly magnetized vacuum behaves as a prism for the propagation of light, an effect known as vacuum birefringence,” said team member Dr. Roberto Mignani, from INAF Milan in Italy.
Among the many predictions of QED, however, vacuum birefringence so far lacked a direct experimental demonstration.
Attempts to detect it in the laboratory have not yet succeeded in the 80 years since it was predicted in by Werner Heisenberg and Hans Heinrich Euler.
“This effect can be detected only in the presence of enormously strong magnetic fields, such as those around neutron stars,” said team member Dr. Roberto Turolla, from the University of Padua in Italy.
“This shows, once more, that neutron stars are invaluable laboratories in which to study the fundamental laws of nature.”
The team used the FORS2 instrument on ESO’s Very Large Telescope (VLT) at the Paranal Observatory, Chile, to observe RX J1856.5-3754, a neutron star approximately 401 light-years away in the constellation Corona Australis.
RX J1856.5-3754 belongs to a class of seven radio-quiet isolated neutron stars, a.k.a. the ‘Magnificent Seven,’ attracted the interest from the neutron star community soon after their discovery in the 1990s.
After careful analysis of the VLT data, the astronomers detected linear polarization — at a significant degree of around 16% — that they say is likely due to the boosting effect of vacuum birefringence occurring in the area of empty space surrounding RX J1856.5-3754.
“This is the faintest object for which polarization has ever been measured,” said team member Dr. Vincenzo Testa, from INAF Rome.
“The high linear polarization that we measured with the VLT can’t be easily explained by our models unless the vacuum birefringence effects predicted by QED are included,” Dr. Mignani added.
“This VLT study is the very first observational support for predictions of these kinds of QED effects arising in extremely strong magnetic fields,” said team member Dr. Silvia Zane, from University College London, UK.
They also have extreme magnetic fields — billions of times stronger than that of the Sun — that permeate their outer surface and surroundings. These fields are so strong that they even affect the properties of the empty space around the star.
Normally a vacuum is thought of as completely empty, and light can travel through it without being changed.
But in quantum electrodynamics (QED), the quantum theory describing the interaction between photons and charged particles such as electrons, space is full of virtual particles that appear and vanish all the time.
Very strong magnetic fields can modify this space so that it affects the polarization of light passing through it.
“According to QED, a highly magnetized vacuum behaves as a prism for the propagation of light, an effect known as vacuum birefringence,” said team member Dr. Roberto Mignani, from INAF Milan in Italy.
Among the many predictions of QED, however, vacuum birefringence so far lacked a direct experimental demonstration.
Attempts to detect it in the laboratory have not yet succeeded in the 80 years since it was predicted in by Werner Heisenberg and Hans Heinrich Euler.
“This effect can be detected only in the presence of enormously strong magnetic fields, such as those around neutron stars,” said team member Dr. Roberto Turolla, from the University of Padua in Italy.
“This shows, once more, that neutron stars are invaluable laboratories in which to study the fundamental laws of nature.”
The team used the FORS2 instrument on ESO’s Very Large Telescope (VLT) at the Paranal Observatory, Chile, to observe RX J1856.5-3754, a neutron star approximately 401 light-years away in the constellation Corona Australis.
RX J1856.5-3754 belongs to a class of seven radio-quiet isolated neutron stars, a.k.a. the ‘Magnificent Seven,’ attracted the interest from the neutron star community soon after their discovery in the 1990s.
After careful analysis of the VLT data, the astronomers detected linear polarization — at a significant degree of around 16% — that they say is likely due to the boosting effect of vacuum birefringence occurring in the area of empty space surrounding RX J1856.5-3754.
“This is the faintest object for which polarization has ever been measured,” said team member Dr. Vincenzo Testa, from INAF Rome.
“The high linear polarization that we measured with the VLT can’t be easily explained by our models unless the vacuum birefringence effects predicted by QED are included,” Dr. Mignani added.
“This VLT study is the very first observational support for predictions of these kinds of QED effects arising in extremely strong magnetic fields,” said team member Dr. Silvia Zane, from University College London, UK.
RSS Feed