Wykrywanie zagadkowego zjawiska magnetycznego promieniowania rentgenowskiego

„Piękny efekt” przewidywany przez elektrodynamikę kwantową (QED) może stanowić wyjaśnienie zagadkowych początkowych obserwacji spolaryzowanych promieni rentgenowskich promieniujących z magnetara – rodzaj gwiazda neutronowa Według astrofizyka z Cornell ma bardzo silne pole magnetyczne.

Oczekiwano, że niezwykle gęsta i gorąca pozostałość po masywnej gwieździe, wyposażona w pole magnetyczne 100 bilionów razy większe niż ziemskie, będzie wytwarzać wyraźnie spolaryzowane promieniowanie rentgenowskie. Oznacza to, że pole elektromagnetyczne promieniowania nie wibruje przypadkowo, ale ma preferowany kierunek.

Ale naukowcy byli zaskoczeni, kiedy NASASatelita Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) odkrył w zeszłym roku, że nisko- i wysokoenergetyczne promieniowanie rentgenowskie jest inaczej spolaryzowane, a pola elektromagnetyczne są skierowane względem siebie pod kątem prostym.

Zjawisko to można naturalnie wytłumaczyć w wyniku „Foton Przesunięcie” – przesunięcie w fotonach rentgenowskich, które zostało teoretycznie zaobserwowane, ale nie zostało bezpośrednio zaobserwowane, powiedział Dong Lai, Ph.D. 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 ciała niebieskiego widzimy piękny efekt, który jest przejawem złożonej fizyki fundamentalnej” – powiedział Lai. „QED jest jedną z najbardziej udanych teorii w fizyce, ale nie została przetestowana w warunkach tak silnego pola magnetycznego”.

Lai jest autorem niedawnego badania opublikowanego w Obrady Narodowej Akademii Nauk.

Badania opierają się na relacjach dr Lai i Wynn Ho. ’03, Wysłane 20 lat temuwłączając obserwacje NASA Zgłosiłem w listopadzie ubiegłego roku Magneto 4U 0142+61 leży 13 000 lat świetlnych stąd, w gwiazdozbiorze Kasjopei.

Elektrodynamika kwantowa, która opisuje mikroskopijne interakcje między elektronami i fotonami, przewiduje, że fotony rentgenowskie opuszczają cienką atmosferę gorącego, namagnesowanego gazu gwiazdy neutronowej lub osoczeprzechodzą 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 „refrakcją próżni”. W połączeniu z powiązanym procesem, załamaniem plazmy, powstają warunki, w których polaryzacja wysokoenergetycznych promieni rentgenowskich oscyluje o 90 stopni w stosunku do niskoenergetycznych promieni rentgenowskich, zgodnie z analizą Lay’a.

„Możesz myśleć o polaryzacji jako o dwóch rodzajach fotonów” – powiedział. „Foton nagle przełącza się z jednego smaku na inny – normalnie nie widać tego rodzaju rzeczy. Ale jest to naturalna konsekwencja fizyki, jeśli zastosujesz teorię w tych ekstremalnych warunkach.”

Misja IXPE nie była świadkiem zmiany polaryzacji w obserwacjach innego magnetara, zwanego 1RXS J170849.0-400910, z silniejszym polem magnetycznym. To, powiedział Lai, jest zgodne z jego obliczeniami, które wskazują, że rezonans próżni i transformacja fotonów miałyby miejsce w głębinach takiej gwiazdy neutronowej.

Lai powiedział, że jego interpretacja obserwacji magnesu 4U 0142+61 dokonana przez IXPE pomogła ograniczyć jego pole magnetyczne i rotację oraz wskazała, że ​​jego atmosfera prawdopodobnie składa się 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 zwiększają nasze zrozumienie piękna i różnorodności wszechświata.

„Obserwacje IXPE otworzyły nowe okno do badania środowiska powierzchniowego gwiazd neutronowych” – powiedział Lai. „Doprowadzi to do nowego wglądu w te tajemnicze obiekty”.

Odniesienie: „IXPE Detection of Polarized X-rays from Magnetars and Photon Mode Transformation at Vacuum Resonance QED”, Dong Lai, 18 kwietnia 2023 r., Dostępne tutaj. Obrady Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2216534120