kozmos.hr
Astronomija

X-zrake neutronskih zvijezda otkrivaju “metamorfozu fotona”

Ostatak supernove Cassiopeia A. Zasluge: NASA/CXC/SAO/IXPE.
objavljeno

“Predivan efekt” predviđen kvantnom elektrodinamikom (QED) može objasniti zbunjujuća prva opažanja polariziranih X-zraka koje emitira magnetar – neutronsku zvijezdu s moćnim magnetskim poljem, prema tvrdnji astrofizičara s Cornell Universityja.

Izuzetno gusti i vrući ostatci masivne zvijezde, koja se može pohvaliti magnetskim poljem 100 milijardi puta jačim od Zemljinog, trebala bi stvoriti visoko polarizirane X-zrake, što znači da elektromagnetsko polje zračenja nije vibriralo nasumično, već je imalo preferirani smjer.

X-zrake

No znanstvenike je iznenadilo kada je prošle godine NASA-in satelit Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) otkrio da su X-zrake niže i više energije polarizirane različito, s elektromagnetskim poljima orijentiranim pod pravim kutovima jedno prema drugome.

Fenomen se može prirodno objasniti kao rezultat “metamorfoze fotona” – pretvorbe X-zračnih fotona koji su teorizirani, ali nikada izravno nisu promatrani, rekao je Dong Lai, dr. sc., profesor astrofizike na Fakultetu umjetnosti i znanosti.

Manifestacija složene, temeljne fizike

“U ovom promatranju zračenja dalekog nebeskog objekta vidimo predivan efekt koji je manifestacija složene, temeljne fizike”, rekao je Lai. “QED je jedna od najuspješnijih teorija fizike, ali nije testirana u tako snažnim magnetskim poljima.”

Lai je autor članka “IXPE Detection of Polarized X-rays from Magnetars and Photon Mode Conversion at QED Vacuum Resonance“, objavljenog 18. travnja u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences.

Istraživanje se temelji na proračunima koje su Lai i Wynn Ho, objavili prije 20 godina, uključujući opažanja koja je NASA prijavila prošlog studenog o magnetaru 4U 0142+61, smještenom 13 000 svjetlosnih godina u sazviježđu Kasiopeje.

Vakuumsko rezoniranje

Kvantna elektrodinamika, koja opisuje mikroskopske interakcije između elektrona i fotona, predviđa da će X-zračni fotoni, kad izlaze iz tankog sloja vrućeg, magnetiziranog plina ili plazme neutronskih zvijezda, proći kroz fazu zvanu vakuumsko rezoniranje.

Tamo, rekao je Lai, fotoni koji nemaju naboj mogu privremeno prelaziti u parove “virtualnih” elektrona i pozitrona koji su pod utjecajem iznimno snažnog magnetskog polja magnetara, čak i u vakuumu, u procesu nazvanom “vakuumsko dvostrukolomnost”. Uz srodan proces, plazmatska dvostrukolomnost, stvaraju se uvjeti za rotaciju polariteta X-zraka visoke energije za 90 stupnjeva u odnosu na X-zrake niske energije, prema Laijevoj analizi.

“Možete razmišljati o polarizaciji kao o dvije vrste fotona”, rekao je. “Foton koji se iznenada pretvara iz jedne vrste u drugu – obično ne vidimo takve stvari. No to je prirodna posljedica fizike ako primijenite teoriju u ovim ekstremnim uvjetima.”

Magnetar 1RXS J170849.0-400910

IXPE misija nije vidjela promjenu polarizacije u promatranjima drugog magnetara, nazvanog 1RXS J170849.0-400910, s još jačim magnetskim poljem. Lai je rekao da je to u skladu s njegovim proračunima, koji sugeriraju da bi vakuumsko rezoniranje i metamorfoza fotona kod takve neutronke zvijezde mogli nastati vrlo duboko unutar nje.

Lai je rekao da njegovo tumačenje IXPE-ovih opažanja magnetara 4U 0142+61 pomaže odrediti njegovo magnetsko polje i rotaciju te sugerira da je njegova atmosfera vjerojatno sastavljena od djelomično ioniziranih teških elemenata.

Nastavak proučavanja X-zraka nekih od najekstremnijih objekata u svemiru, uključujući neutron zvijezde i crne rupe, omogućuje znanstvenicima istraživanje ponašanja tvari u uvjetima koji se ne mogu reproducirati u laboratorijima te doprinosi razumijevanju ljepote i raznolikosti svemira.

“Promatranja IXPE-a otvorila su novi prozor za proučavanje površinskog okoliša neutronskih zvijezda”, rekao je Lai. “To će dovesti do novih uvida u te enigmatične objekte.”

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram –t.me/kozmoshr

Pratite Kozmos na Google Vijestima.

CroCube