Pressmeddelande

Neutronstjärna kan ha avslöjat tecknen på märklig kvantfysik i rymdens tomrum

VLT:s observationer tycks bekräfta 80 år gammal förutsägelse om vakuum

30 november 2016

Genom att med ESO:s Very Large Telescope studera ljuset som skickas ut från extremt tätpackade och starkt magnetiserade neutronstjärnor har astronomer upptäckt det första observationella tecknen på ett underligt kvantfysikalisk fenomen som först förutspåddes under 1930-talet. Polarisationen av det observerade ljuset tyder på att tomrummet omkring neutronstjärnor påverkas av ett fenomen inom kvantfysiken: vakuumdubbelbrytning.

Ett forskarlag som leds av Roberto Mignani, astronom vid INAF Milan i Italien och vid Zielona Gora-universitetet i Polen, har använt ESO:s Very Large Telescope (VLT) vid Paranalobservatoriet i Chile för att studera neutronstjärnan RX J1856.5-3754 som befinner sig cirka 400 ljusår bort från jorden [1].

Trots att den är bland de närmaste neutronstjärnorna, är den ändå mycket ljussvag. För att kunna observera stjärnan i synligt ljus behövde astronomerna därför med hjälp av instrumentet FORS2 på VLT tänja på dagens teknik .

Neutronstjärnor är de väldigt tätpackade kvarlevande kärnorna av massiva stjärnor – minst 10 gånger mer massiva än vår sol – som har exploderat som en supernova vid slutet av deras liv. De har också extrema magnetfält, miljarder gånger starkare än solens, som sträcker sig ut från ytan och in i stjärnornas omgivningar.

Dessa magnetfält är så starka att de till och med kan påverka tomrummet omkring stjärnan. Normalt sett tänker man sig att vakuum är fullständigt tomt, och ljus kan färdas igenom det utan att påverkas. Men inom kvantelektrodynamik (engelska quantum electrodynamics; QED), kvantteorin som beskriver växelverkan mellan ljusfotoner och laddade partiklar såsom elektroner, är rymden fylld av virtuella partiklar som hela tiden dyker upp och lika snabbt försvinner. Väldigt starka magnetfält kan modifiera tomrummet så att det påverkar polarisationen hos ljuset som passerar igenom det.

– Enligt QED beter sig ett högt magnetiserat vakuum som ett prisma när ljus passerar igenom det, och detta fenomen kallas vakuumdubbelbrytning, förklarar Roberto Mignani.

Men bland QED-teorins många förutsägelserna har vakuumdubbelbrytning fram tills nu inte kunnat bevisas direkt i experiment. Försök att upptäcka det i laboratorier har under de 80 år sedan det förutsågs i en forskningsartikel av Werner Heisenberg (känd för osäkerhetsprincipen) och Hans Heinrich Euler ännu inte lyckats.

– Detta fenomen kan endast observeras där det finns oerhört starka magnetfält, som de som finns runt neutronstjärnor. Detta visar återigen att neutronstjärnor är ovärderliga laboratorier där man kan studera naturens fundamentala lagar, säger Roberto Turolla, astronom vid Paduas universitet i Italien.

Efter noggrann analys av mätningarna med VLT upptäckte Mignani och hans forskarlag linjär polarisation med en betydande andel, omkring 16 procent. Enligt forskarna orsakas detta troligen av vakuumdubbelbrytningens förstärkande effekt i tomrummet omkring RX J1856.5–3754 [2].

Vincenzo Testa vid INAF i Rom, Italien, ingår också i forskarlaget.

– Detta är det ljussvagaste objektet som man hittills mätt upp polarisationen från. Det krävde ett av världens största och mest effektiva teleskop, VLT, samt noggranna dataanalysmetoder för att förstärka signalen från en så ljussvag stjärna, kommenterar han.

– Den höga linjära polarisationen som vi uppmätt med VLT kan inte enkelt förklaras av våra modeller om vi inte inkluderar den vakuumdubbelbrytning som man väntar sig utifrån QED, tillägger Mignani.

– Denna studie med VLT är det första observationella stödet för att förutsägelser av denna typ av QED-effekter uppstår i extremt starka magnetfält, tillägger kollegan Silvia Zane vid UCL/MSSL i  Storbritannien.

Mignani ser entusiastiskt fram emot ytterligare förbättringarna inom forskningsfältet som kan bli möjliga med hjälp av mer avancerade teleskop.

– Polarisationsmätningar med nästa generation av teleskop, som till exempel ESO:s European Extremely Large Telescope, kan spela en avgörande roll i att testa QED-teorins förutsägelser om vakuumdubbelbrytning hos många fler neutronstjärnor.

– Dessa mätningar, som nu gjorts för första gången i synligt ljus, banar dessutom väg för liknande mätningar i röntgenvåglängder, avslutar forskarteamets Kinwah Wu, också vid UCL/MSSL i Storbritannien.

Noter

[1] Detta objekt ingår i en grupp av neutronstjärnor som kallas de the Magnificent seven. De är isolerade neutronstjärnor som inte ingår i någon dubbelstjärna, inte avger radiovågor (som pulsarer gör), och som inte omges av rester av stjärnan vars explosion skapade neutronstjärnan.

[2] Även andra processer kan polarisera stjärnljus när det färdas genom rymden. Forskarlaget har försiktigt granskat andra möjligheter – till exempel polarisation som skapas genom spridningen hos stoftpartiklar – men anser att det är osannolikt att de ligger bakom den polarisationssignal som de observerat.

Mer information

Forskningen presenteras i en forskningartikel med titeln “Evidence for vacuum birefringence from the first optical polarimetry measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754” av R. Mignani m. fl. som publiceras i tidsskriften Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Forskarlaget består av R.P. Mignani (INAF - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano, Milano, Italien; Janusz Gil-institutet för astronomi, 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, Storbritannien), 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, Storbritannien), S. Zane (Mullard Space Science Laboratory, University College London, Storbritannien) och K. Wu (Mullard Space Science Laboratory, University College London, Storbritannien).

Länkar

• Forskningsartikeln

• Bilder på VLT

Kontakter

Robert Cumming, kontaktperson för ESO:s utåtriktade verksamhet i Sverige
Onsala rymdobservatorium
Onsala, Sverige
Tel: 031 772 5500
Mobil: 070 493 3114
E-post: robert.cumming@chalmers.se

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

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

Roberto Turolla
University of Padova
Padova, Italy
Tel: +39-049-8277139
E-post: 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-post: rhook@eso.org

Connect with ESO on social media