Pressemeddelelse

Måske første tegn på en besynderlig kvanteeffekt af det tomme rum?

VLT-observationer af en neutronstjerne bekræfter måske en 80 år gammel forudsigelse om forholdene i vacuum

30. november 2016

Måske har astronomerne fundet de første observationelle tegn på en besynderlig kvanteeffekt, som først blev forudsagt i 1930erne. Det er observationer af en yderst tæt og kraftigt magnetisk neutronstjerne med ESOs Very Large Telescope, som ligger til grund. Polarisationen af det observerede lys fra neutronstjernen tyder på, at det tomme rum omkring neutronstjernen er påvirket af en kvanteeffekt, som kaldes vacuumdobbeltbrydning - birefringens på engelsk.

Det er et forskerhold under ledelse af Roberto Mignani fra INAF Milano i Italien og fra Zielona Gora Universitetet i Polen, som har brugt ESOs Very Large Telescope (VLT) på Paranalobservatoriet i Chile til at observere neutronstjernen RX J1856.5-3754, som befinder sig omkring 400 lysår fra Jorden[1].

Selvom den neutronstjerne er en af de nærmeste, er den så svagtlysende, at astronomerne kun har kunnet observere den lige på grænsen af, hvad selv de topmoderne instrument FORS2 på VLT har kunnet klare.

Neutronstjerner er de yderst tætte rester af kernen af tunge stjerner - de er mindst 10 gange tættere end Solens stof. Stjernerne er eksploderet som supernovaer i slutningen af deres livsforløb. Denne stjernetype har også meget intense magnetfelter, som er milliarder af gange kraftigere end Solens. Felterne gennemtrænger både neutronstjernernes ydre overflade og omgivelserne.

Magnetfelterne er så kraftige, at de forvrænger tilstandene for de tomme rum omkring stjernen. Normalt forestiller vi os vacuum som helt tomt, og derfor kan lys bevæge sig igennem uden at blive påvirket. Men i kvanteelektrodynamik (QED) er rummet fuldt af virtuelle partikler, som dukker op og forsvinder hele tiden. QED er den teori, som beskriver vekselvirkningen imellem lysets fotoner og ladede partikler, som for eksempel elektroner. Meget kraftige magnetfelter kan påvirke det ellers tomme rum, så det ændrer polariseringen af det lys, som passerer igennem det.

Mignani forklarer: "Ifølge QED vil et kraftigt magnetiseret vacuum opføre sig som et prisme for lyset, så man ser den effekt, som kaldes vacuumdobbeltbrydning".

Blandt mange andre forudsigelser som drejer sig om QED har vacuumdobbeltbrydning indtil nu savnet en direkte eksperimentel eftervisning. Det er ikke lykkedes af eftervise effekten i laboratoriet i de 80 år, der er gået siden den blev forudsagt i en artikel af Werner Heisenberg (som kendes fra usikkerhedsprincippet blandt andet) og Hans Heinrich Euler.

"Effekten kan kun detekteres hvor der er enormt kraftige magnetfelter, som de blandt andet findes omkring neutronstjernerne. Det viser atter en gang, at neutronstjernerne er uvurderlige laboratorier, hvor vi kan studere naturens grundliggende love," siger Roberto Turolla fra Universitetet i Pauda, Italien.

Efter en grundig analyse af dataene fra VLT, har Mignani og hans hold af forskere fundet  lineær polarisation — i et markant omfang på omkring 16%. De forklarer, at det sandsynligvis skyldes den forstærkende effekt fra den vacuumdobbeltbrydning, som forekommer i det tomme rum omkring RX J1856.5-3754 [2]

Vincenzo Testa (INAF, Rom, Italien) supplerer: "Det her er det svageste objekt, hvor polarisation indtil nu er målt. Det har fordret et af de største og mest effektive teleskoper i Verden; VLT, og meget nøjagtige dataanalyseteknikker for at hent signalet frem fra en så svagtlysende stjerne."

"Den kraftige lineære polarisation, som vi her har målt med VLT kan ikke på nogen bekvem måde forklares i vore modeller, med mindre vi indregner de vacuumdobbeltbrydende effekter, som kvanteelektrodynamikken foreskriver," tilføjer Mignani.

"VLT-studiet her er den første observationelle eftervisning af denne type QED-effekter i meget kraftige magnetfelter," supplerer Silvia Zane (UCL/MSSL, UK).

Mignani glæder sig til de yderligere forbedringer i dette forskningsområde, som vil kunne opnås med mere avancerede teleskoper: "Polarisationsmålinger med næste generation af teleskoper, som or eksempel ESOs ESO’s European Extremely Large Telescope, vil kunne komme til at spille en afgørende rolle ved afprøvningen af de vacuumdobbeltbrydningseffekter, som QED forudsiger, ved at studere mange flere neutronstjerner."

"Målingerne her, som for første gang er foretaget i synligt lys, baner også vejen for lignende målinger i röntgenområdet," tilføjer Kinwah Wu (UCL/MSSL, UK).

Noter

[1] Objektet her er een af en gruppe af neutronstjerner, som kaldes Magnificent Seven - De fantastiske Syv. Det er isolerede neutronstjerner (INS), som ikke har nogen kendte ledsagestjerner, som ikke udsender radiobølger (sm pulsarerne gør det), og som ikke er indhyllet i stof som oprindeligt stammer fra en supernova.

[2] Der er andre processer, som kan polarisere stjernelyset på dets vej igennem rummet. Forskerholdet har omhyggeligt overvejet andre muligheder, som for eksempel polarisering forårsaget af spredning på støvkorn, og de mener, at det er usandsynligt, at den effekt skulle kunne forårsage så kraftig en polarisering som man observerer.

Mere information

Forskningsresultatet her præsenteres i en artikel med titlen “Evidence for vacuum birefringence from the first optical polarimetry measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754”, af R. Mignani et al., i tidsskriftet Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Forskerholdet består af R.P. Mignani (INAF - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano, Milano, Italien; Janusz Gil Institute of Astronomy, University of Zielona Góra, Zielona Góra, Polen), V. Testa (INAF - Osservatorio Astronomico di Roma, Monteporzio, Italien), D. González Caniulef (Mullard Space Science Laboratory, University College London, UK), R. Taverna (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Universita di Padova, Padova, Italien), R. Turolla (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Universita di Padova, Padova, Italien; Mullard Space Science Laboratory, University College London, UK), S. Zane (Mullard Space Science Laboratory, University College London, UK) and K. Wu (Mullard Space Science Laboratory, University College London, UK).

ESO er den fremmeste fællesnationale astronomiorganisation i Europa, og verdens langt mest produktive jordbaserede astronomiske observatorium. 16 lande er med i ESO: Belgien, Brazilien, Danmark, Finland, Frankrig, Italien, Nederlandene, Polen, Portugal, Spanien, Sverige, Schweiz, Storbritannien, Tjekkiet, Tyskland og Østrig, og desuden værtsnationen Chile. ESO har et ambitiøst program, som gør det muligt for astronomer at gøre vigtige videnskabelige opdagelser. Programmet har focus på design, konstruktion og drift af stærke jordbaserede observatorier. Desuden har ESO en ledende rolle i formidling og organisering af samarbejde omkring astronomisk forskning. ESO driver tre enestående observatorier i verdensklasse i Chile: La Silla, Paranal og Chajnantor. På Paranal driver ESO VLT, Very Large Telescope, som er verdens mest avancerede observatorium for synligt lys, samt to oversigtsteleskoper. VISTA, som observerer i infrarødt, er verdens største oversigtsteleskop, og VLT Survey Teleskopet er det største teleskop bygget til at overvåge himlen i synligt lys. ESO er en af de største partnere i ALMA, som er det største eksisterende astronomiprojekt. For tiden bygges E-ELT, et 39 m optisk og nærinfrarødt teleskop på Cerro Armazones, tæt ved Paranal. Det bliver "verdens største himmeløje".

 

Links

• Forskningsartiklen
• Fotos af VLT

Kontakter

Roberto Mignani
INAF - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano
Milan, Italy
Tel: +39 02 23699 347
Mobil: +39 328 9685465
E-mail: mignani@iasf-milano.inaf.it

Vincenzo Testa
INAF - Osservatorio Astronomico di Roma
Monteporzio Catone, Italy
Tel: +39 06 9428 6482
E-mail: vincenzo.testa@inaf.it

Roberto Turolla
University of Padova
Padova, Italy
Tel: +39-049-8277139
E-mail: turolla@pd.infn.it

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Mobil: +49 151 1537 3591
E-mail: rhook@eso.org

Ole J. Knudsen (Pressekontakt Danmark)
ESOs formidlingsnetværk og Aarhus Space Centre, Aarhus Universitet
Aarhus, Danmark
Tel: +45 8715 5597
E-mail: eson-denmark@eso.org

Connect with ESO on social media

Dette er en oversættelse af ESO pressemeddelelse eso1641 lavet af ESON - et netværk af personer i ESOs medlemslande, der er kontaktpunkter for medierne i forbindelse med ESO nyheder, pressemeddelelser mm.