Czyżby astronomowie zaobserwowali efekt jednej z kwantowych własności próżni?

Jak poinformowało Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO), zespołem badawczym kierował prof. Roberto Mignani z włoskiego instytutu INAF w Mediolanie, pracujący także na Uniwersytecie Zielonogórskim. Badacze przeprowadzili obserwacje gwiazdy neutronowej RX J1856.5-3754, odległej od nas o około 400 lat świetlnych. Wykorzystano teleskop VLT, należący do Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO).

Gwiazdy neutronowe to niezwykle gęste pozostałości po jądrach masywnych gwiazd, które wybuchły jako supernowe. Obiekty te mają rozmiary rzędu 10 km. W tak niewielkiej kuli skupiona jest masa gwiazdy. Jedną z cech gwiazd neutronowych jest występowanie bardzo silnego pola magnetycznego, miliardy razy silniejszego niż w przypadku Słońca. Pole to przenika ich powierzchnię i otoczenie. Jest na tyle silne, że może nawet wpływać na własności próżni.

Próżnię wyobrażamy sobie jako całkowicie pustą przestrzeń, przez którą światło podróżuje bez przeszkód i zmian. Jednak w elektrodynamice kwantowej, czyli kwantowej teorii opisującej oddziaływania elektromagnetyczne, sytuacja jest bardziej skomplikowana. Próżnia jest pełna wirtualnych cząstek, które w danej chwili pojawiają się i znikają. W przypadku gdy przez przestrzeń przenika ekstremalnie silne pole magnetyczne, może ono na nią wpływać tak, iż następuje polaryzacja światła (czyli pewne uporządkowanie drgań fali świetlnej).

„Zgodnie z teorią elektrodynamiki kwantowej, poddana silnemu polu magnetycznemu próżnia zachowuje się jak pryzmat w stosunku do propagacji światła. Efekt ten nazywany jest dwójłomnością próżni” - tłumaczy prof. Mignani.

Dwójłomność jest własnością ośrodków optycznych do podwójnego załamywania światła (zachodzi rozdwojenie promienia świetlnego). Taką własność mają np. niektóre kryształy. Dwójłomność próżni jest jednym z przewidywań elektrodynamiki kwantowej. Ten kwantowy efekt przewidzieli około 80 lat temu Werner Heisenberg oraz Hans Heinrich Euler.

Skoro gwiazdy neutronowe posiadają ekstremalnie silne pola magnetyczne, to czemu by ich nie wykorzystać jako naturalne laboratoria do zbadania, czy skutki dwójłomności próżni da się zaobserwować w kosmosie? Nie jest to jednak proste zadanie, gwiazda RX J1856.5-3754 jest niezwykle słaba w świetle widzialnym i potrzeba największych teleskopów, aby móc dokładnie zbadać jej światło.

Grupie prof. Mignaniego udało się zmierzyć polaryzację światła tej gwiazdy neutronowej. Jest to najsłabszy obiekt, dla którego udało się dokonać takiego pomiaru. Okazało się, że stopień polaryzacji liniowej wynosi 16 proc. Polaryzacja światła może być w kosmosie powodowana przez różne czynniki, np. rozpraszanie na ziarnach pyłu, ale według naukowców tak dużego jej stopnia nie da się w ten sposób wytłumaczyć i konieczne jest odwołanie się do własności próżni.

„Dużej liniowej polaryzacji, którą zmierzyliśmy przy pomocy VLT, nie można łatwo wyjaśnić naszymi modelami, jeśli nie uwzględni się efektów dwójłomności próżni przewidywanych przez elektrodynamikę kwantową” uważa prof. Mignani.

Badacze mają nadzieję, że kolejna generacja wielkich teleskopów, które są aktualnie projektowane i zaczną pracę w ciągu najbliższej dekady, pozwoli dokładniej zbadać i potwierdzić czy rzeczywiście zaobserwowano efekty dwójłomności próżni.

Sama gwiazda RX J1856.5-3754 ma także ciekawe własności jako gwiazda neutronowa. Należy do grupy siedmiu cichych radiowo, izolowanych gwiazd neutronowych, zwanej nieformalnie „Siódemką Wspaniałych”. Gwiazdy te odkryto w latach 90. XX wieku przy pomocy satelity ROSAT. Emitują one promieniowanie rentgenowskie i mają cechy odróżniające je od typowych pulsarów znanych z badań na falach radiowych. (PAP)

cza/ mrt/