Среда, 21 февраля, 2024
ДомойКосмосКвантовая метаморфоза: раскрытие загадочного феномена рентгеновских лучей магнетара

Квантовая метаморфоза: раскрытие загадочного феномена рентгеновских лучей магнетара

- Advertisement -

Астрофизик Донг Лай предполагает, что эффект квантовой электродинамики (КЭД), называемый «фотонной метаморфозой», объясняет неожиданные наблюдения поляризации рентгеновских лучей от магнетара, нейтронной звезды с интенсивным магнитным полем. Теория Лая предполагает, что рентгеновские фотоны, проходящие через намагниченную атмосферу магнетара, могут временно трансформироваться в пары «виртуальных» электронов и позитронов, что приводит к различным поляризациям рентгеновских лучей низких и высоких энергий.

«Красивый эффект», предсказанный квантовой электродинамикой (КЭД), может объяснить сбивающие с толку первоначальные наблюдения поляризованного рентгеновского излучения, исходящего от магнитара — типа нейтронная звезда по словам астрофизика из Корнелла, характеризуется чрезвычайно мощным магнитным полем.

Было предсказано, что чрезвычайно плотный и горячий остаток массивной звезды, обладающий магнитным полем, превосходящим земное в 100 триллионов раз, будет производить отчетливо поляризованное рентгеновское излучение. Это означает, что электромагнитное поле излучения не колеблется беспорядочно, а имеет предпочтительное направление.

Но ученые были удивлены, когда НАСАСпутник Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) в прошлом году обнаружил, что низко- и высокоэнергетические рентгеновские лучи поляризованы по-разному, а электромагнитные поля ориентированы под прямым углом друг к другу.

Это явление можно естественным образом объяснить тем, что «фотон метаморфоза» — преобразование рентгеновских фотонов, которое было теоретизировано, но никогда не наблюдалось напрямую, — сказал Донг Лай, доктор философии. ’94, Бенсон Джей Саймон ’59, MBA ’62, и Мэри Эллен Саймон, MA ’63, профессор астрофизики в Колледже искусств и наук.

«В этом наблюдении за излучением далекого небесного объекта мы видим прекрасный эффект, который является проявлением сложной фундаментальной физики», — сказал Лай. «КЭД — одна из самых успешных физических теорий, но она еще не проверялась в условиях такого сильного магнитного поля».

Лай является автором недавнего исследования, опубликованного в Труды Национальной академии наук.

Исследование основано на расчетах Лая и Винна Хо, доктора философии. 03, опубликовано 20 лет назадс учетом наблюдений НАСА сообщалось в ноябре прошлого года магнитара 4U 0142+61, расположенного на расстоянии 13 000 световых лет в созвездии Кассиопеи.

Квантовая электродинамика, описывающая микроскопические взаимодействия между электронами и фотонами, предсказывает, что по мере того, как рентгеновские фотоны покидают тонкую атмосферу нейтронной звезды, состоящую из горячего намагниченного газа или плазмаони проходят фазу, называемую вакуумным резонансом.

Там, по словам Лая, фотоны, которые не имеют заряда, могут временно превращаться в пары «виртуальных» электронов и позитронов, на которые воздействует сверхсильное магнитное поле магнетара даже в вакууме. Этот процесс называется «вакуумным двойным лучепреломлением». Согласно анализу Лая, в сочетании с родственным процессом, двойным лучепреломлением плазмы, создаются условия для того, чтобы полярность высокоэнергетического рентгеновского излучения колебалась на 90 градусов по отношению к низкоэнергетическому рентгеновскому излучению.

«Вы можете думать о поляризации как о двух разновидностях фотонов», — сказал он. «Фотон внезапно превращается из одного аромата в другой — обычно такого не увидишь. Но это естественное следствие физики, если вы применяете теорию в этих экстремальных условиях».

Миссия IXPE не заметила колебания поляризации при наблюдениях другого магнетара, названного 1RXS J170849.0-400910, с еще более сильным магнитным полем. Лай сказал, что это согласуется с его расчетами, которые предполагают, что вакуумный резонанс и фотонная метаморфоза должны происходить очень глубоко внутри такой нейтронной звезды.

Лай сказал, что его интерпретация наблюдений IXPE за магнитаром 4U 0142+61 помогла ограничить его магнитное поле и вращение, и предположил, что его атмосфера, вероятно, состоит из частично ионизированных тяжелых элементов.

По его словам, продолжающееся изучение рентгеновских лучей от некоторых из самых экстремальных объектов Вселенной, включая нейтронные звезды и черные дыры, позволяет ученым исследовать поведение материи в условиях, которые невозможно воспроизвести в лаборатории, и расширяет наше понимание 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».

Ссылка: «Обнаружение IXPE поляризованного рентгеновского излучения от магнитаров и преобразование фотонной моды при вакуумном резонансе QED», Донг Лай, 18 апреля 2023 г., Труды Национальной академии наук.
DOI: 10.1073/pnas.2216534120

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме