Første tegn på underlig kvanteegenskab ved tomt rum?

Ved at studere lyset fra en ekstraordinært tæt og stærkt magnetiseret neutronstjerne ved hjælp af ESOs Very Large Telescope, astronomer kan have fundet de første observationsindikationer på en mærkelig kvanteeffekt, første gang forudsagt i 1930'erne. Polariseringen af ​​det observerede lys antyder, at det tomme rum omkring neutronstjernen er udsat for en kvanteeffekt kendt som vakuum dobbeltbrydning.

Et team ledet af Roberto Mignani fra INAF Milan (Italien) og fra University of Zielona Gora (Polen), brugte ESOs Very Large Telescope (VLT) på Paranal-observatoriet i Chile til at observere neutronstjernen RX J1856.5-3754, omkring 400 lysår fra Jorden.

På trods af at være blandt de nærmeste neutronstjerner, dens ekstreme svaghed betød, at astronomerne kun kunne observere stjernen med synligt lys ved hjælp af FORS2 -instrumentet på VLT, på grænserne for den nuværende teleskopteknologi.

Neutronstjerner er de meget tætte restkerner af massive stjerner - mindst 10 gange mere massive end vores sol - der er eksploderet som supernovaer i slutningen af ​​deres liv. De har også ekstreme magnetfelter, milliarder af gange stærkere end Solens, der gennemsyrer deres ydre overflade og omgivelser.

Disse felter er så stærke, at de endda påvirker egenskaberne af det tomme rum omkring stjernen. Normalt betragtes et vakuum som helt tomt, og lys kan rejse gennem det uden at blive ændret. Men i kvanteelektrodynamik (QED), kvanteteorien, der beskriver samspillet mellem fotoner og ladede partikler såsom elektroner, rummet er fuld af virtuelle partikler, der dukker op og forsvinder hele tiden. Meget stærke magnetfelter kan ændre dette rum, så det påvirker polariseringen af ​​lys, der passerer gennem det.

Mignani forklarer:"Ifølge QED, et stærkt magnetiseret vakuum opfører sig som et prisme til spredning af lys, en effekt kendt som vakuum dobbeltbrydning. "

Blandt de mange forudsigelser af QED, imidlertid, vakuum dobbeltbrydning manglede hidtil en direkte eksperimentel demonstration. Forsøg på at opdage det i laboratoriet er endnu ikke lykkedes i de 80 år, siden det blev forudsagt i et papir af Werner Heisenberg (om usikkerhedsprincippet berømmelse) og Hans Heinrich Euler.

"Denne effekt kan kun detekteres i nærvær af enormt stærke magnetfelter, såsom dem omkring neutronstjerner. Dette viser, en gang til, at neutronstjerner er uvurderlige laboratorier til at studere de grundlæggende naturlove. "siger Roberto Turolla (University of Padua, Italien).

Efter grundig analyse af VLT -data, Mignani og hans team opdagede lineær polarisering-i en betydelig grad på omkring 16%-som de siger sandsynligvis skyldes den forstærkende effekt af vakuum dobbeltbrydning, der forekommer i det tomme rum omkring RX J1856.5-3754.

Vincenzo Testa (INAF, Rom, Italien) kommenterer:"Dette er det svageste objekt, som polarisering nogensinde er blevet målt til. Det krævede et af de største og mest effektive teleskoper i verden, VLT, og nøjagtige dataanalyseteknikker til at forstærke signalet fra en sådan svag stjerne. "

"Den høje lineære polarisering, som vi målte med VLT, kan ikke let forklares af vores modeller, medmindre de vakuum dobbeltbrydningseffekter, der forudsiges af QED, er inkluderet, "tilføjer Mignani.

"Denne VLT -undersøgelse er den allerførste observationsstøtte til forudsigelser af denne slags QED -effekter, der opstår i ekstremt stærke magnetfelter, "bemærker Silvia Zane (UCL/MSSL, Storbritannien).

Mignani er begejstret for yderligere forbedringer af dette studieområde, der kan komme til med mere avancerede teleskoper:"Polarisationsmålinger med den næste generation af teleskoper, såsom ESO's European Extremely Large Telescope, kunne spille en afgørende rolle i afprøvning af QED -forudsigelser af vakuum dobbeltbrydningseffekter omkring mange flere neutronstjerner. "

"Denne måling, lavet for første gang nu i synligt lys, baner også vejen til lignende målinger, der skal udføres ved røntgenbølgelængder, "tilføjer Kinwah Wu (UCL/MSSL, Storbritannien).

Denne forskning blev præsenteret i papiret med titlen "Beviser for vakuum dobbeltbrydning fra den første optiske polarimetri -måling af den isolerede neutronstjerne RX J1856.5−3754", af R. Mignani et al., at dukke op i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society .