Выполненные на VLT наблюдения нейтронной звезды, возможно, подтверждают предсказание свойств вакуума, сделанное 80 лет назад

Исследуя на Очень Большом Телескопе ESO излучение необычно плотной и обладающей очень сильным магнитным полем нейтронной звезды, астрономы, возможно, обнаружили первое наблюдательное подтверждение необычного квантового эффекта, впервые предсказанного в 1930-х годах. Наблюдаемая поляризация света говорит о том, что вакуум – пустое пространство вокруг нейтронной звезды – подвержен квантовому эффекту двойного лучепреломления.

Группа исследователей из INAF (Милан, Италия) и университета города Зелена Гура (Польша) под руководством Роберто Миньяни (Roberto Mignani) использовала Очень Большой Телескоп ESO (VLT) в обсерватории Параналь в Чили для наблюдений нейтронной звезды RX J1856.5-3754, находящейся на расстоянии около 400 световых лет от Земли [1].

Несмотря на то, что это одна из ближайших к нам нейтронных звезд, она крайне слабая и для ее наблюдений в видимых лучах понадобилась вся мощь установленного на VLT приемника FORS2, на пределе современной оптической техники.

Нейтронные звезды представляют собой сверхплотные ядра массивных — по меньшей мере в 10 раз более массивных, чем Солнце — звезд, которые в конце своей эволюции взорвались в виде сверхновых. У этих объектов также очень сильные магнитные поля, в миллиарды раз сильнее, чем у Солнца, которые пронизывают поверхностные слои этих звезд и окружающее их пространство.

Эти поля так сильны, что они влияют даже на свойства пустоты – вакуума – вокруг нейтронных звезд. В нормальном состоянии вакуум ничем не проявляет себя, свет распространяется через него без изменений. Но согласно квантовой электродинамике (QED) – квантовой теории, описывающей взаимодействие между фотонами и заряженными частицами, такими, как электроны – вакуум заполнен постоянно возникающими и исчезающими виртуальными частицами. Очень сильные магнитные поля могут модифицировать свойства пространства и поляризовать проходящий сквозь него свет.

Миньяни объясняет: “В рамках QED сильно намагниченный вакуум по отношению к проходящему сквозь него свету ведет себя как призма. Этот эффект и называется двойным лучепреломлением в вакууме”.

Однако, до сих пор, в отличие от многих других предсказаний QED, двойное лучепреломление в вакууме не получало прямого экспериментального подтверждения. В течение 80 лет после того, как это явление было предсказано в статье Вернера Гейзенберга (Werner Heisenberg), знаменитого своим принципом неопределенности, и Ганса Генриха Эйлера (Hans Heinrich Euler), все попытки зарегистрировать его в лаборатории проваливались.

"Этот эффект можно зарегистрировать только в присутствии исключительно сильного магнитного поля, как раз такого, которое существует вокруг нейтронных звезд. Так мы еще раз убеждаемся, что нейтронные звезды представляют собой уникальные естественные лаборатории для исследования фундаментальных законов природы", -- говорит Роберто Туролла (Roberto Turolla), сотрудник университета г.Падуя (Италия).

Тщательно проанализировав данные, полученные на VLT, Миньяни и его группа обнаружили значительную – на уровне примерно 16% -- линейную поляризацию, которую они интерпретировали как следствие эффекта вакуумного двойного лучепреломления в пространстве, окружающем RX J1856.5-3754 [2].

Винченцо Теста (Vincenzo Testa) из INAF (Рим, Италия) комментирует: "Эта звезда – вообще самый слабый объект, для которого когда-либо была измерена поляризация. Для этого потребовался один из крупнейших и совершеннейших в мире телескопов, VLT, и точнейшие методы анализа данных, позволившие выделить столь слабый сигнал".

"Измеренную нами на VLT высокую линейную поляризацию непросто объяснить с помощью существующих моделей, не привлекая предсказываемого QED двойного лучепреломления в вакууме", -- добавляет Миньяни.

"Исследование, выполненное на VLT – самое первое наблюдательное подтверждение предсказаний эффектов QED в крайне сильных магнитных полях", -- отмечает Сильвия Зейн (Silvia Zane, UCL/MSSL, Великобритания).

Миньяни настроен очень оптимистически в отношении дальнейшего прогресса в этой области исследований, которого следует ожидать с появлением еще более мощных телескопов: “Измерения поляризации с телескопами следующего поколения, такими, как Европейский Чрезвычайно Большой Телескоп ESO, могут сыграть ключевую роль в проверке предсказаний QED о проявлениях эффекта двойного лучепреломления в вакууме вокруг гораздо большего числа нейтронных звезд”.

"Эта работа, впервые выполненная в видимой области спектра, указывает путь для подобных измерений в рентгеновском диапазоне", -- добавляет Кинва Ву (Kinwah Wu, UCL/MSSL, Великобритания).

Панорама звездного поля вокруг незаметной здесь нейтронной звезды RX J1856.5-3754

Область звездного поля вокруг нейтронной звезды RX J1856.5-3754, находящейся точно в центре изображения

Примечания

[1] Объект входит в группу нейтронных звезд, известную под названием Великолепной Семерки. Это изолированные нейтронные звезды (INS), не имеющие звездного компаньона, не излучающие, в отличие от пульсаров, радиоволн и не окруженные веществом, оставшимся после взрыва породивших их сверхновых.

[2] Существуют и другие процессы, которые могут привести к поляризации света звезд в ходе его распространения в космосе. Ученые тщательно проанализировали возможности других объяснений — например, поляризации при рассеянии на пылевых частицах — но пришли к выводу, что наблюдаемая поляризация ими вряд ли может быть описана.

Узнать больше

Результаты исследования представлены в статье “Evidence for vacuum birefringence from the first optical polarimetry measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754”, R. Mignani и др., которая публикуется в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Состав исследовательской группы: R.P. Mignani (INAF - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano, Milano, Italy; Janusz Gil Institute of Astronomy, University of Zielona Góra, Zielona Góra, Poland), V. Testa (INAF - Osservatorio Astronomico di Roma, Monteporzio, Italy), D. González Caniulef (Mullard Space Science Laboratory, University College London, UK), R. Taverna (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Padova, Padova, Italy), R. Turolla (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Padova, Padova, Italy; Mullard Space Science Laboratory, University College London, UK), S. Zane (Mullard Space Science Laboratory, University College London, UK) и K. Wu (Mullard Space Science Laboratory, University College London, UK).

Текст научной статьи

Перевод пресс-релиза ESO eso1641 http://www.eso.org/public/russia/news/eso1641/