Ein von der Quantenelektrodynamik (QED) vorhergesagter „schöner Effekt“ kann laut einem Cornell-Astrophysiker die rätselhaften ersten Beobachtungen von polarisierten Röntgenstrahlen erklären, die von einem Magnetar emittiert werden – einem Neutronenstern mit einem starken Magnetfeld.
Der extrem dichte und heiße Überrest eines massereichen Sterns mit einem Magnetfeld, das 100 Billionen Mal stärker ist als das der Erde, sollte hochpolarisierte Röntgenstrahlen erzeugen, was bedeutet, dass das elektromagnetische Feld der Strahlung nicht zufällig vibriert, sondern eine Vorzugsrichtung hat.
Wissenschaftler waren jedoch überrascht, als der Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE)-Satellit der NASA letztes Jahr feststellte, dass Röntgenstrahlen mit niedrigerer und höherer Energie unterschiedlich polarisiert waren, wobei elektromagnetische Felder im rechten Winkel zueinander ausgerichtet waren.
Das Phänomen kann natürlich als Ergebnis der „Photonenmetamorphose“ erklärt werden – einer Transformation von Röntgenphotonen, die theoretisiert, aber nie direkt beobachtet wurde, sagte Dong Lai, Ph.D. ’94, Benson Jay Simon ’59, MBA ’62, und Mary Ellen Simon, MA ’63, Professorin für Astrophysik am College of Arts and Sciences.
„Bei dieser Beobachtung der Strahlung eines weit entfernten Himmelsobjekts sehen wir einen schönen Effekt, der eine Manifestation komplizierter, grundlegender Physik ist“, sagte Lai. „QED ist eine der erfolgreichsten physikalischen Theorien, aber sie wurde nicht unter Bedingungen mit solch starken Magnetfeldern getestet.“
Lai ist der Autor von „IXPE Detection of Polarized X-rays from Magnetars and Photon Mode Conversion at QED Vacuum Resonance“, veröffentlicht in Proceedings of the National Academy of Sciences.
Die Forschung baut auf Berechnungen von Lai und Wynn Ho, Ph.D. ’03, vor 20 Jahren erschienenunter Einbeziehung von Beobachtungen der NASA letzten November berichtet des Magnetars 4U 0142+61, der sich 13.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Kassiopeia befindet.
Die Quantenelektrodynamik, die mikroskopische Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Photonen beschreibt, sagt voraus, dass Röntgenphotonen, wenn sie die dünne Atmosphäre des Neutronensterns aus heißem, magnetisiertem Gas oder Plasma verlassen, eine Phase namens Vakuumresonanz durchlaufen.
Dort, sagte Lai, können sich Photonen, die keine Ladung haben, vorübergehend in Paare aus „virtuellen“ Elektronen und Positronen umwandeln, die sogar im Vakuum vom superstarken Magnetfeld des Magnetars beeinflusst werden, ein Prozess, der als „Vakuumdoppelbrechung“ bezeichnet wird. In Kombination mit einem verwandten Prozess, der Plasmadoppelbrechung, werden laut Lais Analyse Bedingungen geschaffen, unter denen die Polarität hochenergetischer Röntgenstrahlen relativ zu niederenergetischen Röntgenstrahlen um 90 Grad schwingen kann.
„Sie können sich die Polarisation als zwei Geschmacksrichtungen von Photonen vorstellen“, sagte er. „Ein Photon, das sich plötzlich von einem Geschmack in einen anderen umwandelt – so etwas sieht man normalerweise nicht. Aber es ist eine natürliche Folge der Physik, wenn man die Theorie unter diesen extremen Bedingungen anwendet.“
Die IXPE-Mission konnte den Polarisationswechsel bei Beobachtungen eines anderen Magnetars namens 1RXS J170849.0-400910 mit einem noch stärkeren Magnetfeld nicht feststellen. Lai sagte, dass dies mit seinen Berechnungen übereinstimmt, die darauf hindeuten, dass Vakuumresonanz und Photonenmetamorphose sehr tief im Inneren eines solchen Neutronensterns stattfinden würden.
Lai sagte, seine Interpretation der IXPE-Beobachtungen des Magnetars 4U 0142+61 habe dazu beigetragen, sein Magnetfeld und seine Rotation einzuschränken, und schlug vor, dass seine Atmosphäre wahrscheinlich aus teilweise ionisierten schweren Elementen zusammengesetzt sei.
Die laufende Untersuchung von Röntgenstrahlen von einigen der extremsten Objekte des Universums, einschließlich Neutronensternen und Schwarzen Löchern, ermöglicht es Wissenschaftlern, das Verhalten von Materie unter Bedingungen zu untersuchen, die in Labors nicht repliziert werden können, und trägt zum Verständnis der Schönheit und Vielfalt des Universums.
„Die Beobachtungen von IXPE haben ein neues Fenster für die Untersuchung der Oberflächenumgebung von Neutronensternen geöffnet“, sagte Lai. „Dies wird zu neuen Einblicken in diese rätselhaften Objekte führen.“
Mehr Informationen:
Dong Lai, IXPE-Detektion polarisierter Röntgenstrahlen von Magnetaren und Photonenmodenumwandlung bei QED-Vakuumresonanz, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2216534120