Promienie rentgenowskie gwiazdy neutronowej ujawniają „metamorfozę fotonów”
Według astrofizyka z Cornell, „piękny efekt” przewidywany przez elektrodynamikę kwantową (QED) może wyjaśnić zagadkowe pierwsze obserwacje polaryzowanych promieni rentgenowskich emitowanych przez magnetara – gwiazdę neutronową o silnym polu magnetycznym.
Pozostałość po supernowej Kasjopea A. Satelita IPEX wykrył później spolaryzowane promieniowanie X z 4U 0142+61, silnie namagnesowanej gwiazdy neutronowej znajdującej się w konstelacji Kasjopei. Źródło: NASA/CXC/SAO/IXPE
Oczekiwano, że niezwykle gęsta i gorąca pozostałość po masywnej gwieździe, szczycąca się polem magnetycznym 100 bilionów razy masywniejszym od ziemskiego, będzie generować silnie spolaryzowane promieniowanie X, co oznacza, że pole magnetyczne promieniowania nie drgało przypadkowo, ale miało preferowany kierunek.
Naukowcy byli jednak zaskoczeni, kiedy satelita Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) wykrył, 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 naturalnie wyjaśnić jako wynik „metamorfozy fotonów” – transformacji fotonów rentgenowskich, która była teoretyzowana, ale nigdy nie została bezpośrednio zaobserwowana, powiedział dr Dong Lai, profesor astrofizyki w College of Arts and Sciences.
W tej obserwacji promieniowania z odległego obiektu niebieskiego widzimy piękny efekt, który jest przejawem zwykłej, fundamentalnej fizyki – powiedział Lai. QED jest jedną z najbardziej udanych teorii fizycznych, ale nie była ona wcześniej testowana w warunkach tak silnego pola magnetycznego.
Lai jest autorem pracy opublikowanej 18 kwietnia 2023 roku w Proceedings of the National Academy of Sciences.
Badania opierają się na obliczeniach dr. Lai i dr. Wynn Ho opublikowanych 20 lat temu, obejmujących obserwacje, o których NASA poinformowała w listopadzie 2022 roku, dotyczące magnetara 4U 0142+61, znajdującego się 13 000 lat świetlnych stąd w konstelacji Kasjopei.
Elektrodynamika kwantowa, która opisuje mikroskopijne oddziaływania pomiędzy elektronami i fotonami, przewiduje, że gdy fotony rentgenowskie opuszczają cienką atmosferę gwiazdy, neutronowej składającej się z gorącego, namagnesowanego gazu lub plazmy, przechodzą przez fazę zwaną rezonansem próżniowym.
Tam, te niemające ładunku, mogą tymczasowo przekształcić się w pary wirtualnych elektronów i pozytonów, które są pod wpływem super silnego pola magnetycznego magnetara nawet w próżni, proces zwany dwójłomnością próżni. W połączeniu z pokrewnym procesem, dwójłomnością plazmy, tworzone są warunki, w których polaryzacja wysokoenergetycznych promieni X zmienia się o 90 stopni w stosunku do niskoenergetycznych promieni rentgenowskich, zgodnie z analizą Lai.
Misja IPEX nie zauważyła zmian polaryzacji w obserwacjach innego magnetara, zwanego 1RXS J170849.0-400910, o jeszcze silniejszym polu magnetycznym. Lai powiedział, że jest to zgodne z jego obliczeniami, które sugerują, że rezonans próżniowy i metamorfoza fotonów wystąpiłyby bardzo głęboko wewnątrz takiej gwiazdy neutronowej.
Lai powiedział, że jego interpretacja obserwacji IPEX magnetara 4U 0142+61 pomogła ograniczyć jego pole magnetyczne i rotację, a także zasugerowała, że jego atmosfera prawdopodobnie składa się z częściowo zjonizowanych ciężkich pierwiastków.
Bieżące badania promieniowania X z niektórych najbardziej ekstremalnych obiektów we Wszechświecie, w tym gwiazd neutronowych i czarnych dziur, pozwalają naukowcom badać zachowanie materii w warunkach, których nie można odtworzyć w laboratoriach, a także przyczyniają się do zrozumienia piękna i różnorodności Wszechświata, powiedział Lai.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
.jpg)
