Lehdistötiedote

Ensimmäiset merkit tyhjän avaruuden oudoista kvanttiominaisuuksista

VLT-teleskoopin havainnot neutronitähdestä saattavat vahvistaa 80 vuotta vanhan olettamuksen tyhjiöstä

30. marraskuuta 2016

Tutkimalla poikkeuksellisen tiheiden ja voimakkaasti magnetisoituneiden neutronitähtien säteilemää valoa ESO:n VLT-teleskoopilla tähtitieteilijät ovat saattaneet löytää ensimmäiset havaintotodisteet oudosta kvantti-ilmiöstä, joka alunperin ennustettiin 1930-luvulla. Havaitun valon polarisaatio antaa ymmärtää, että neutronitähteä ympäröivässä tyhjässä avaruudessa vaikuttaa tyhjiön kahtaistaittavuutena tunnettu kvantti-ilmiö.

Italialaisen Milanon INAF:in ja puolalaisen Zielona Goran yliopiston Roberto Mignanin johtama tutkimusryhmä käytti ESO:n VLT-teleskooppia (Very Large Telescope) Paranalin observatoriolla Chilessä havaitakseen neutronitähteä RX J1856.5-3754 noin 400 valovuoden etäisyydellä Maasta [1].

Huolimatta siitä, että tämä tähti on yksi lähimpiä neutronitähtiä, sen äärimmäisen himmeyden johdosta tähtitieteilijät saattoivat havaita sitä vain näkyvän valon aallonpituuksilla käyttäen VLT-teleskoopin FORS2-havaintolaitetta, nykyisen teleskooppiteknologian äärirajoilla.

Neutronitähdet ovat hyvin tiheitä, vähintään 10 kertaa Aurinkoamme raskaampien massiivisten tähtien ytimien jäänteitä. Nämä tähdet ovat räjähtäneet supernovina elämänsä lopulla. Niillä on myös äärimmäinen, niiden pinnat ja ympäristön läpäisevä magneettikenttä, joka on miljardeja kertoja voimakkaampi  kuin Auringollamme,

Nämä kentät ovat niin voimakkaita, että ne vaikuttavat jopa tähteä ympäröivän tyhjän avaruuden ominaisuuksiin. Normaalisti tyhjiötä pidetään täysin tyhjänä ja valo voi kulkea sen läpi ilman muutoksia. Valofotonien ja elektronien kaltaisten varattujen hiukkasten välisiä vuorovaikutuksia kuvailevassa kvanttisähködynamiikassa (QED englanninkielisen termin mukaan) avaruus on täynnä virtuaalihiukkasia, jotka ilmestyvät ja katoavat kaiken aikaa. Hyvin voimakas magneettikenttä voi muuttaa tätä avaruutta siten, että se vaikuttaa sen halki kulkevan valon polarisaatioon.

Mignani selittää: "QED:n mukaan suuresti magnetisoitnut tyhjiö vaikuttaa prisman tavoin valon kulkuun. Tätä ilmiötä kutsutaan tyhjiön kahtaistaittavuudeksi."

Monien QED:n ennustusten joukossa tyhjiön kahtaistaittavuudelta on kuitenkin puuttunut suora havaintotodiste. Yritykset havaita se laboratoriossa ovat toistaiseksi epäonnistuneet 80 vuoden aikana, joka on kulunut siitä, kun Werner Heisenberg (kuuluisa epätarkkuusperiaatteesta) ja Hans Heinrich Euler ennustivat sen tutkimusjulkaisussa.

"Tämä ilmiö voidaan havaita vain neutronitähtien ympärillä olevien kaltaisten suunnattoman voimakkaiden magneettikenttien vaikutusalueella. Tämä osoittaa, jälleen kerran, että neutronitähdet ovat korvaamattomia laboratorioita tutkittaessa perustavanlaatuisia luonnonlakeja," sanoo Roberto Turolla (Padovan yliopisto, Italia).

VLT-teleskoopin havaintoaineiston huolellisen analyysin jälkeen Mignani ja hänen tutkimusryhmänsä havaitsivat huomattavan suuren, 16%:n lineaarisen polarisaation, jonka he sanovat mitä luultavimmin johtuvan tähteä RX J1856.5-3754 ympäröivän tyhjän avaruuden alueella vaikuttavan tyhjiön kahtaistaittavuuden aiheuttamasta lisäävästä vaikutuksesta [2].

Vincenzo Testa (INAF, Rooma, Italia) kommentoi: "Tämä on himmein kohde, josta polarisaatiota on milloinkaan havaittu. Vaati yhden maailman suurimmista ja tehokkaimmista teleskoopeista, VLT-teleskoopin, ja tarkkoja havaintoanalyysitekniikoita voimistamaan niin himmeän tähden signaalin."

"VLT-teleskoopilla mittaamaamme suurta lineaarista polarisaatiota ei voi helposti selittää teoreettisilla malleillamme, jollei niihin sisällytetä QED:n ennustamaa tyhjiön kahtaistaittavuutta," lisää Mignani.

"Tämä VLT-tutkimus on kaikkien aikojen ensimmäinen havaintotodiste tämänkaltaisten, äärimmäisen voimakkaiden magneettikenttien aiheuttamien QED:n ilmiöiden ennustustamisen tueksi," huomauttaa Silvia Zane (UCL/MSSL, Iso-Britannia).

Mignani on innoissaan yhä kehittyneempien teleskooppien tuomista tämän tutkimusalueen tulevista parannuksista: "ESO:n E-ELT -teleskoopin (European Extremely Large Telescope) kaltaisten seuraavan sukupolven teleskooppien avulla tehtävät polarisaatiomittaukset saattavat olla ratkaisevassa osassa testattaessa QED:n ennustuksia tyhjiön kahtaistaittavuuden ilmiöistä monien muidenkin neutronitähtien ympärillä."

"Tämä mittaus, joka nyt tehtiin ensimmäistä kertaa näkyvän valon aallonpituuksilla, tasoittaa tietä vastaavanlaisille mittauksille röntgenaallonpituuksilla," lisää Kinwah Wu (UCL/MSSL, Iso-Britannia).

Lisähuomiot

[1] Tämä kohde on osa neutronitähtien ryhmää, joka tunnetaan nimellä Magnificent Seven (upea seitsikko, ilmeinen viittaus elokuvaan 7 rohkeaa miestä). Ne tunnetaan eristäytyneinä neutronitähtinä, joilla ei ole tähtikumppania, jotka eivät säteile pulsarien tavoin radioaaltoja ja joita ei ympäröi riekaleinen supernovamateria.

[2] On olemassa muita prosesseja, jotka voivat polarisoida tähden valoa sen kulkiessa avaruuden halki. Tutkimusryhmä harkitsi tarkkaan muita vaihtoehtoja — esimerkiksi tomuhiukkasista siroamisen aiheuttamaa polarisaatiota — mutta pitää niitä epätodennäköisinä selittämään havaittua polarisaatiosignaalia.

Lisätietoa

Tämä tutkimus esitettiin tutkimusjulkaisussa "Evidence for vacuum birefringence from the first optical polarimetry measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754”, jonka kirjoittivat R. Mignani et al. Julkaisu ilmestyy julkaisusarjassa Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Tutkimusryhmään kuuluvat R.P. Mignani (INAF - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano, Milano, Italia; Janusz Gil Institute of Astronomy, University of Zielona Góra, Zielona Góra, Puola), V. Testa (INAF - Osservatorio Astronomico di Roma, Monteporzio, Italia), D. González Caniulef (Mullard Space Science Laboratory, University College London, Iso-Britannia), R. Taverna (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Universita di Padova, Padova, Italia), R. Turolla (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Universita di Padova, Padova, Italia; Mullard Space Science Laboratory, University College London, Iso-Britannia), S. Zane (Mullard Space Science Laboratory, University College London, Iso-Britannia) ja K. Wu (Mullard Space Science Laboratory, University College London, Iso-Britannia).

ESO on Euroopan johtava hallitustenvälinen tähtitieteen organisaatio ja maailman tieteellisesti tuotteliain tähtitieteellinen observatorio. ESO:lla on 16 jäsenmaata: Alankomaat, Belgia, Brasilia, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Portugali, Puola, Ranska, Ruotsi, Saksa, Suomi, Sveitsi, Tanska ja Tšekin tasavalta. ESO toteuttaa kunnianhimoista ohjelmaa, joka keskittyy tehokkaiden maanpäällisten havaintovälineiden suunnitteluun, rakentamiseen ja käyttöön. Välineiden avulla tähtitieteilijät voivat tehdä merkittäviä tieteellisiä löytöjä. ESO:lla on myös johtava asema tähtitieteen tutkimuksen kansainvälisen yhteistyön edistämisessä ja organisoinnissa. ESO:lla on Chilessä kolme ainutlaatuista huippuluokan observatoriota: La Silla, Paranal ja Chajnantor. ESO:lla on Paranalilla Very Large Telescope (VLT), maailman kehittynein näkyvää valoa havainnoiva tähtitieteellinen observatorio, ja kaksi kartoitusteleskooppia. VISTA toimii infrapuna-alueella ja on maailman suurin kartoitusteleskooppi. VLT Survey Telescope on suurin vartavasten taivaan näkyvän valon kartoitukseen suunniteltu teleskooppi. ESO on yksi maailman suurimman tähtitieteellisen projektin, ALMA-teleskoopin pääyhteistyökumppaneista. Lähellä Paranalia sijaitsevalla Cerro Armazonesilla ESO rakentaa 39-metrin kokoista E-ELT -teleskooppia (European Extremely Large Telescope), josta tulee “maailman suurin tähtitaivasta havainnoiva silmä”.

Linkit

• Tutkimusjulkaisu
• Valokuvia VLT-teleskoopista

Yhteystiedot

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

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

Roberto Turolla
University of Padova
Padova, Italy
Puh.: +39-049-8277139
Sähköposti: turolla@pd.infn.it

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 3200 6655
Matkapuhelin: +49 151 1537 3591
Sähköposti: rhook@eso.org

Pasi Nurmi (Lehdistön yhteyshenkilö Suomi)
ESO Science Outreach Network ja University of Turku
Turku, Finland
Puh.: +358 29 4504 358
Sähköposti: eson-finland@eso.org

Connect with ESO on social media