Astrofizikçi Dong Lai, “foton metamorfozu” adı verilen bir kuantum elektrodinamiği (QED) etkisinin, yoğun bir manyetik alana sahip bir nötron yıldızı olan bir magnetardan gelen beklenmedik X-ışını polarizasyonu gözlemlerini açıkladığını teorileştiriyor. Lai’nin teorisi, magnetarın manyetize edilmiş atmosferinden geçen X-ışını fotonlarının geçici olarak “sanal” elektron ve pozitron çiftlerine dönüşerek düşük ve yüksek enerjili X-ışınları için farklı polarizasyonlara yol açabileceğini öne sürüyor.
Kuantum elektrodinamiği (QED) tarafından tahmin edilen “güzel bir etki”, bir tür magnetardan yayılan polarize X-ışınlarının şaşırtıcı ilk gözlemleri için bir açıklama sağlayabilir. nötron yıldızı Bir Cornell astrofizikçisine göre, son derece güçlü bir manyetik alanla karakterize edilir.
Dünya’nınkini 100 trilyon kat aşan bir manyetik alanla donatılmış devasa bir yıldızın son derece yoğun ve sıcak kalıntısının, belirgin şekilde polarize X-ışınları üreteceği tahmin ediliyordu. Bu, radyasyonun elektromanyetik alanının rastgele titreşmediği, ancak tercih edilen bir yöne sahip olduğu anlamına gelir.
Ancak bilim adamları ne zaman şaşırdılar NASAGeçen yıl Görüntüleme X-ışını Polarimetri Kaşifi (IXPE) uydusu, düşük ve yüksek enerjili X-ışınlarının, elektromanyetik alanların birbirine dik açılarla yönlendirilmesiyle farklı şekilde polarize edildiğini saptadı.
Olgu, doğal olarak “ bir sonucu olarak açıklanabilir.foton Dong Lai, “metamorfoz” – X-ışını fotonlarının teorileştirilmiş ancak hiçbir zaman doğrudan gözlemlenmemiş bir dönüşümü, dedi. ’94, Benson Jay Simon ’59, MBA ’62 ve Mary Ellen Simon, MA ’63, College of Arts and Sciences’ta Astrofizik Profesörü.
Lai, “Uzaktaki bir gök cismin radyasyonunun bu gözleminde, karmaşık, temel fiziğin bir tezahürü olan güzel bir etki görüyoruz” dedi. “QED, en başarılı fizik teorilerinden biridir, ancak bu kadar güçlü manyetik alan koşullarında test edilmemiştir.”
Lai, yayınlanan yakın tarihli bir çalışmanın yazarıdır. Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı.
Araştırma, Lai ve Wynn Ho, Ph.D. ’03, 20 yıl önce yayınlandıgözlemleri içeren NASA geçen kasım ayında bildirildi Cassiopeia takımyıldızında 13.000 ışıkyılı uzaklıkta bulunan 4U 0142+61 magnetarının görüntüsü.
Elektronlar ve fotonlar arasındaki mikroskobik etkileşimleri tanımlayan kuantum elektrodinamiği, X-ışını fotonlarının nötron yıldızının ince, sıcak, manyetize gaz veya plazmavakum rezonansı adı verilen bir aşamadan geçerler.
Lai, orada, hiçbir yükü olmayan fotonların, “vakum çift kırılması” adı verilen bir süreçle, vakumda bile magnetarın süper güçlü manyetik alanından etkilenen “sanal” elektron ve pozitron çiftlerine geçici olarak dönüşebileceğini söyledi. Lai’nin analizine göre, ilgili bir işlem olan plazma çift kırılması ile birleştiğinde, yüksek enerjili X ışınlarının polaritesinin düşük enerjili X ışınlarına göre 90 derece salınması için koşullar yaratılır.
“Kutuplaşmayı iki çeşit foton olarak düşünebilirsiniz” dedi. “Bir tattan diğerine aniden dönüşen bir foton – genellikle böyle bir şey görmezsiniz. Ancak teoriyi bu aşırı koşullar altında uygularsanız, bu fiziğin doğal bir sonucudur.”
IXPE misyonu, daha da güçlü bir manyetik alana sahip 1RXS J170849.0-400910 adlı başka bir magnetarın gözlemlerinde kutuplaşma salınımını görmedi. Lai, vakum rezonansı ve foton metamorfozunun böyle bir nötron yıldızının çok derinlerinde meydana geleceğini öne süren hesaplamalarıyla tutarlı olduğunu söyledi.
Lai, IXPE’nin 4U 0142+61 manyetarına ilişkin gözlemlerine ilişkin yorumunun, manyetik alanını ve dönüşünü kısıtlamaya yardımcı olduğunu ve atmosferinin muhtemelen kısmen iyonize ağır elementlerden oluştuğunu öne sürdüğünü söyledi.
Nötron yıldızları ve karadelikler de dahil olmak üzere evrenin en uç nesnelerinden bazılarından gelen X-ışınları üzerinde devam eden çalışma, bilim adamlarının maddenin davranışını laboratuvarlarda kopyalanamayacak koşullarda araştırmasına olanak tanıdığını ve evrenin güzelliği ve çeşitliliği konusundaki anlayışımıza katkıda bulunduğunu söyledi.
Lai, “IXPE tarafından yapılan gözlemler, nötron yıldızlarının yüzey ortamını incelemek için yeni bir pencere açtı” dedi. “Bu, bu esrarengiz nesneler hakkında yeni içgörülere yol açacaktır.”
Referans: “QED vakum rezonansında magnetarlardan polarize X-ışınlarının IXPE tespiti ve foton modu dönüşümü”, Dong Lai, 18 Nisan 2023, Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı.
DOI: 10.1073/pnas.2216534120