Рентгенівське випромінювання нейтронної зірки розкрило “метаморфозу фотонів”
На думку астрофізика з Корнелла, "красивий ефект", передбачений квантовою електродинамікою (КЕД), може пояснити загадкові перші спостереження поляризованих рентгенівських променів, які випускає магнетар — нейтронна зоря з потужним магнітним полем.
Про це розповідають в Корнелльському університеті, передають OstanniPodii.com.
Очікувалося, що надзвичайно щільний та гарячий залишок масивної зірки, що володіє магнітним полем, у 100 трильйонів разів сильнішим за земне, генеруватиме сильно поляризоване рентгенівське випромінювання, тобто електромагнітне поле випромінювання не коливається безладно, а має пріоритетний напрямок.
Але вчені були здивовані, коли минулого року супутник НАСА "Дослідник візуалізації рентгенівської поляриметрії" (IXPE) виявив, що рентгенівські промені низьких і високих енергій поляризовані по-різному, причому електромагнітні поля орієнтовані під прямим кутом одне до одного.
Це явище можна природним чином пояснити як результат "метаморфози фотонів" -- трансформації рентгенівських фотонів, яку теоретизували, але ніколи не спостерігали безпосередньо, кажуть науковці Коледжу мистецтв і наук.
"У цьому спостереженні випромінювання від далекого небесного об′єкта ми бачимо красивий ефект, який є проявом складної, фундаментальної фізики", - сказав др. Донг Лай. "КЕД -- одна з найуспішніших фізичних теорій, але вона не була перевірена в умовах такого сильного магнітного поля".
Лай є автором роботи "Виявлення IXPE поляризованого рентгенівського випромінювання від магнетарів і перетворення фотонної моди у вакуумному резонансі КЕД", опублікованої в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.
Дослідження спирається на розрахунки Лая і др. Вінна Хо, опублікованих 20 років тому, і містить результати спостережень за магнетаром 4U 0142+61, розташованого на відстані 13 000 світлових років у сузір′ї Кассіопеї, про які НАСА повідомило в листопаді минулого року.
Квантова електродинаміка, яка описує мікроскопічні взаємодії між електронами й фотонами, пророкує, що коли рентгенівські фотони виходять з тонкої атмосфери нейтронної зірки, яка складається з гарячого, намагніченого газу, або плазми, вони проходять через фазу, яка називається вакуумним резонансом.
Там, за словами Лая, фотони, що не мають заряду, можуть тимчасово перетворитися на пари "віртуальних" електронів і позитронів, на які навіть у вакуумі впливає надсильне магнітне поле магнетара -- процес, який називається "вакуумним подвійним променезаломленням". У поєднанні зі спорідненим процесом, плазмовим подвійним променезаломленням, створюються умови для того, щоб полярність високоенергетичних рентгенівських променів змінилася на 90 градусів проти низькоенергетичних рентгенівських променів, згідно з аналізом Лая.
"Можна уявити поляризацію як два аромати фотонів", - сказав він. "Фотон раптово перетворюється з одного аромату на інший -- зазвичай таке не зустрічається. Але це природний наслідок фізики, якщо застосовувати теорію в таких екстремальних умовах".
Місія IXPE не побачила зміни поляризації в спостереженнях іншого магнетара, названого 1RXS J170849.0-400910, зі ще сильнішим магнітним полем. За словами Лая, це узгоджується з його розрахунками, які припускають, що вакуумний резонанс і метаморфоза фотонів відбуватимуться дуже глибоко всередині такої нейтронної зірки.
За словами Лая, його інтерпретація спостережень IXPE за магнетаром 4U 0142+61 допомогла визначити його магнітне поле та обертання, а також припустити, що його атмосфера, ймовірно, складається з частково іонізованих важких елементів.
За його словами, поточне вивчення рентгенівського випромінювання від найекстремальніших об′єктів Всесвіту, включно з нейтронними зорями та чорними дірами, дає змогу вченим досліджувати поведінку матерії в умовах, які неможливо відтворити в лабораторіях, і сприяє розумінню краси й розмаїття Всесвіту.
"Спостереження IXPE відкрили нове вікно для вивчення поверхневого середовища нейтронних зірок", - сказав Лай. "Це призведе до нового розуміння цих загадкових об′єктів".
.