Komunikat prasowy

Pierwsze oznaki dziwnej kwantowej własności pustej przestrzeni?

Obserwacje gwiazdy neutronowej przy pomocy VLT mogą potwierdzić 80-letnie przewidywania na temat próźni

30 listopada 2016

Przy pomocy należącego do ESO teleskopu VLT astronomowie zbadali światło emitowane przez niesamowicie gęstą i namagnesowaną gwiazdę neutronową i być może znaleźli pierwsze obserwacyjne wskazówki na temat dziwnego efektu kwantowego, przewidzianego po raz pierwszy w latach 30. ubiegłego wieku. Polaryzacja obserwowanego światła sugeruje, że pusta przestrzeń wokół gwiazdy neutronowej podlega efektowi kwantowemu znanemu jako dwójłomność próżni.

Zespół, którym kierował Roberto Mignani z INAF Milan (Włochy) oraz z Uniwersytetu Zielonogórskiego (Polska), wykorzystał należący do ESO Bardzo Duży Teleskop (VLT) w Obserwatorium Paranal w Chile do obserwacji gwiazdy neutronowej RX J1856.5-3754, położonej około 400 lat świetlnych od Ziemi [1].

Mimo iż jest jedną z najbliższych gwiazd neutronowych, jej ekstremalnie słaby blask powoduje, że astronomowie mogą obserwować tę gwiazdę w świetle widzialnym jedynie przy pomocy instrumentu FORS2 na teleskopie VLT, na granicy obecnych możliwości technologii budowy teleskopów.

Gwiazdy neutronowe to bardzo gęste pozostałości po jądrach masywnych gwiazd – co najmniej 10 razy masywniejszych niż nasze Słońce – które pod koniec swojego życia wybuchły jako supernowe. Posiadają potężne pola magnetyczne, miliardy razy silniejsze niż w przypadku Słońca, które przenikają ich zewnętrzną powierzchnię i otoczenie.

Pola te są tak silne, że mogą nawet wpływać na własności pustej przestrzeni wokół gwiazdy. Zazwyczaj próżnię uważa się za całkowicie pustą, tak iż światło może przez nią podróżować bez jakichkolwiek zmian. Ale w elektrodynamice kwantowej (QED), kwantowej teorii opisujące oddziaływania pomiędzy fotonami, a naładowanymi cząstkami, takimi jak elektrony, przestrzeń pełna jest wirtualnych cząstek, które pojawiają się i znikają w tym samym momencie. Bardzo silne pola magnetyczne mogą modyfikować tę przestrzeń tak, iż wpływa to na polaryzację światła przez nią przechodzącego.

Mignani wyjaśnia: „Zgodnie z teorią QED, mocno namagnetyzowana próżnia zachowuje się jak pryzmat w stosunku do propagacji światła. Efekt ten nazywany jest dwójłomnością próżni.”

Jednak pośród wielu przewidywań teorii elektrodynamiki kwantowej, dwójłomność próżni jak dotąd nie została w bezpośredni sposób zademostrowana eksperymentalnie. Próby wykrycia jej w laboratorium nie przyniosły sukcesu w ciągu 80 lat od przewidzenia tego efektu przez Wernera Heisenberga (znanego z zasady nieoznaczoności) i Hansa Heinricha Eulera.

„Efekt ten może zostać wykryty tylko w przypadku obecności niesamowicie silnych pól magnetycznych, takich jak wokół gwiazd neutronowych. Pokazuje to po raz kolejny, że gwiazdy neutronowe są bezcennymi laboratoriami do badania fundamentalnych praw przyrody” mówi Roberto Turolla (Uniwersytet w Padwie, Włochy).

Po dokładnej analizie danych z VLT, Mignani i jego zespół wykryli liniową polaryzację — w znaczącym stopniu około 16% — którą określili jako wywołaną najprawdopodobniej wzmacniającym efektem dwójłomności próżni, zachodzącym w obszarze pustej przestrzeni otaczającej RX J1856.5-3754 [2].

Vincenzo Testa (INAF, Rzym, Włochy) komentuje: „Jest to najsłabszy obiekt, dla którego udało się jak dotąd zmierzyć polaryzację. Wymagało to największych i najbardziej wydajnych teleskopów na świecie – VLT oraz odpowiednich technik analizy danych, aby uwypuklić sygnał od tak słabej gwiazdy.”

„Dużej liniowej polaryzacji, którą zmierzyliśmy przy pomocy VLT, nie można łatwo wyjaśnić naszymi modelami, jeśli nie uwzględni się efektów dwójłomności próżni przewidywanych przez elektrodynamikę kwantową” dodaje Mignani.

„Niniejsze badania z użyciem VLT są pierwszym obserwacyjnym wsparciem dla przewidywań tego rodzaju efektów elektrodynamiki kwantowej w ekstremalnie silnych polach magnetycznych” zaznacza Silvia Zane (UCL/MSSL, Wielka Brytania).

Mignani ma wiele nadziei odnośnie dalszego rozwoju tego obszaru badań, które może nadejść, gdy pracę rozpoczną jeszcze bardziej zaawansowane teleskopy: „Pomiary polaryzacji przy pomocy następnej generacji teleskopów, takich jak budowany przez ESO teleskop E-ELT, mogą odgrywać kluczową rolę w testowaniu przewidywań elektrodynamiki kwantowej dotyczących efektów dwójłomności próżni wokół większej liczby gwiazd neutronowych.”

„Nasz pomiar, po raz pierwszy wykonany w zakresie światła widzialnego, przeciera także szlaki dla podobnych pomiarów na falach rentgenowskich” dodaje Kinwah Wu (UCL/MSSL, Wielka Brytania).

Uwagi

[1] Obiekt ten jest częścią grupy gwiazd neutronowych znanej jako Siedem Wspaniałych. Są to izolowane gwiazdy neutronowe (INS - isolated neutron stars), które nie posiadają gwiezdnych towarzyszek, nie emitują fal radiowych (jak pulsary) i nie są otoczone przez materię z poprzedniczki supernowej.

[2] Istnieją także inne procesy, które mogą polaryzować światło podróżujące przez przestrzeń kosmiczną. Naukowcy starannie zweryfikowali inne możliwości – np. polaryzację wywoływaną przez rozpraszanie na ziarnach pyłu – ale uznali za mało prawdopodobne, iż mogły być powodem obserwowanej polaryzacji sygnału.

Więcej informacji

Wyniki badań opisano w artykule pt. „Evidence for vacuum birefringence from the first optical polarimetry measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754”, R. Mignani et al., który ukaże się w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Skład zespołu badawczego: R.P. Mignani (INAF - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano, Mediolan, Włochy; Instytut Astronomii im. Janusza Gila, Uniwersytet Zielonogórski, Zielona Góra, Polska), V. Testa (INAF - Osservatorio Astronomico di Roma, Monteporzio, Włochy), D. González Caniulef (Mullard Space Science Laboratory, University College London, Wielka Brytania), R. Taverna (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Padova, Padova, Włochy), R. Turolla (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Padova, Padova, Włochy; Mullard Space Science Laboratory, University College London, Wielka Brytania), S. Zane (Mullard Space Science Laboratory, University College London, Wielka Brytania) oraz K. Wu (Mullard Space Science Laboratory, University College London, Wielka Brytania).

ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Wspiera je 16 krajów: Austria, Belgia, Brazylia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Polska, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada teleskop VLT (Very Large Telescope - Bardzo Duży Teleskop), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest głównym partnerem ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. Z kolei na Cerro Armazones, niedaleko Paranal, ESO buduje 39-metrowy teleskop E-ELT (European Extremely Large Telescope - Ekstremalnie Wielki Teleskop Europejski), który stanie się “największym okiem świata na niebo”.

Linki

• Publikacja naukowa
• Zdjęcia teleskopu VLT

Kontakt

Roberto Mignani
INAF - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano
Milan, Italy
Tel.: +39 02 23699 347
Tel. kom.: +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
Tel. kom.: +49 151 1537 3591
E-mail: rhook@eso.org

Krzysztof Czart (Kontakt dla mediów Polska)
Sieć Popularyzacji Nauki ESO oraz Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Śledź ESO w mediach społecznościowych