Рентгеновское излучение нейтронной звезды раскрыло “метаморфозу фотонов”

По мнению астрофизика из Корнелла, "красивый эффект", предсказанный квантовой электродинамикой (КЭД), может объяснить загадочные первые наблюдения поляризованных рентгеновских лучей, которые испускает магнетар — нейтронная звезда с мощным магнитным полем.

Об этом рассказывают в Корнелльском университете, передают OstanniPodii.com.

Ожидалось, что чрезвычайно плотный и горячий остаток массивной звезды, обладающий магнитным полем, в 100 триллионов раз сильнее земного, будет генерировать сильно поляризованное рентгеновское излучение, то есть электромагнитное поле излучения не колеблется беспорядочно, а имеет приоритетное направление.

Но ученые были удивлены, когда в прошлом году спутник НАСА "Исследователь визуализации рентгеновской поляриметрии" (IXPE) обнаружил, что рентгеновские лучи низких и высоких энергий поляризованы по-разному, причем электромагнитные поля ориентированы под прямым углом друг к другу.

Это явление можно естественным образом объяснить как результат "метаморфозы фотонов" -- трансформации рентгеновских фотонов, которую теоретизировали, но никогда не наблюдали непосредственно, говорят ученые Колледжа искусств и наук.

"В этом наблюдении излучения от далекого небесного объекта мы видим красивый эффект, который является проявлением сложной, фундаментальной физики", - сказал др. Донг Лай. "КЭД -- одна из самых успешных физических теорий, но она не была проверена в условиях такого сильного магнитного поля".

Лай является автором работы "Обнаружение IXPE поляризованного рентгеновского излучения от магнетаров и преобразование фотонной моды в вакуумном резонансе КЭД", опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Исследование опирается на расчеты Лая и др. Винна Хо, опубликованных 20 лет назад, и содержит результаты наблюдений за магнетаром 4U 0142+61, расположенного на расстоянии 13 000 световых лет в созвездии Кассиопеи, о которых НАСА сообщило в ноябре прошлого года.

Квантовая электродинамика, которая описывает микроскопические взаимодействия между электронами и фотонами, предсказывает, что когда рентгеновские фотоны выходят из тонкой атмосферы нейтронной звезды, которая состоит из горячего, намагниченного газа, или плазмы, они проходят через фазу, называемую вакуумным резонансом.

Там, по словам Лая, фотоны, не имеющие заряда, могут временно превратиться в пары "виртуальных" электронов и позитронов, на которые даже в вакууме воздействует сверхсильное магнитное поле магнетара -- процесс, который называется "вакуумным двойным лучепреломлением". В сочетании с родственным процессом, плазменным двойным лучепреломлением, создаются условия для того, чтобы полярность высокоэнергетических рентгеновских лучей изменилась на 90 градусов против низкоэнергетических рентгеновских лучей, согласно анализу Лая.

"Можно представить поляризацию как два аромата фотонов", - сказал он. "Фотон внезапно превращается из одного аромата в другой -- обычно такое не встречается. Но это естественное следствие физики, если применять теорию в таких экстремальных условиях".

Миссия IXPE не увидела изменения поляризации в наблюдениях другого магнетара, названного 1RXS J170849.0-400910, с еще более сильным магнитным полем. По словам Лая, это согласуется с его расчетами, которые предполагают, что вакуумный резонанс и метаморфоза фотонов будут происходить очень глубоко внутри такой нейтронной звезды.

По словам Лая, его интерпретация наблюдений IXPE за магнетаром 4U 0142+61 помогла определить его магнитное поле и вращение, а также предположить, что его атмосфера, вероятно, состоит из частично ионизированных тяжелых элементов.

По его словам, текущее изучение рентгеновского излучения от экстремальных объектов Вселенной, включая нейтронные звезды и черные дыры, позволяет ученым исследовать поведение материи в условиях, которые невозможно воспроизвести в лабораториях, и способствует пониманию красоты и разнообразия Вселенной.

"Наблюдения IXPE открыли новое окно для изучения поверхностной среды нейтронных звезд", - сказал Лай. "Это приведет к новому пониманию этих загадочных объектов".

.