Міжнародна група астрономів на підставі спостережень нейтронної зорі з сильним магнітним полем за допомогою Дуже великого телескопа (Very Large Telescope, VLT) Європейської південної обсерваторії, можливо, виявила перші спостережні ознаки невідомого квантового ефекту, передбаченого в 1930 р. Поляризація світла, зареєстрованого від зорі, дозволяє припустити, що порожній простір навколо неї підвладний квантовому ефекту, відомому як вакуумне подвійне променезаломлення (birefringence, бірефракція).
Науковці на чолі з Роберто Міґнані (Roberto Mignani) з Міланського інституту астрофізики та фізики космосу (Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano, INAF, Італія), а також університету Зелена-Гура (Польща), виконали спостереження нейтронної зорі RX J1856.5-3754 в обсерваторії Паранал в Чилі.
Ця зоря лежить на відстані 400 світлових років від Землі й належить до групи «Дивовижна сімка» (сім найближчих до Землі одиночних нейтронних зір, які не мають супутників, не випромінюють радіохвилі (тобто не є пульсарами) й не оточені залишками від спалаху материнської Наднової.
Хоча нейтронна зоря лежить відносно близько від Землі, вона є дуже слабким небесним світилом, а тому астрономи могли спостерігати її лише з допомогою приладу FORS2 (FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph, Фокальний зменшувач та спектрограф малої дисперсії), який встановлено на VLT. Він дозволяє реєструвати слабкі потоки видимого випромінювання.
Зображення широкого поля показує ділянку неба навколо дуже слабкої нейтронної зорі RX J1856.5-3754 у сузір’ї Південної Корони (Corona Australis). Ця частина неба також містить ділянки темної і світлої туманностей, що оточують змінну зорю R Південної Корони (угорі ліворуч), а також кулясте зоряне скупчення NGC 6723. Нейтронна зоря занадто слабка, щоб побачити її на зображенні, але міститься дуже близько до його центра. Фото з сайту www.eso.org.
Нейтронні зорі — дуже щільні залишкові ядра масивних зір (щонайменше в 10 разів масивніші, ніж наше Сонце), що вибухнули як Наднові наприкінці свого життя. Магнітні поля цих зір, які пронизують їхню зовнішню поверхню й довкілля, дуже сильні — у мільярди разів сильніші, ніж у Сонця.
Ці поля настільки сильні, що вони навіть впливають на властивості порожнього простору навколо зорі. Вакуум уявляють, зазвичай, як абсолютно порожній простір крізь який світло може проходити без змін. Але згідно з уявленнями квантової електродинаміки (КЕД), — квантової теорії, що описує взаємодію фотонів і заряджених частинок, таких як електрони, — простір заповнений віртуальними частинками, які весь час виникають і зникають. Дуже сильне магнітне поле може змінити цей простір так, що він впливатиме на поляризацію світла, яке проходить через нього.
Р. Міґнані пояснює: «Згідно з КЕД сильно намагнічений вакуум поводиться як призма для заломлення світла, створюючи ефект, відомий як вакуумне подвійне променезаломлення».
Однак, серед багатьох передбачень квантової електродинаміки, вакуумне подвійне променезаломлення досі не мало прямого експериментального підтвердження. Спроби виявити його в лабораторії в 80-ті роки минулого століття, так як це передбачили Вернер Гейзенберг і Ганс Генріх Ейлер у статті про відомий принцип невизначеності, були невдалими.
«Цей ефект може бути виявлений лише за наявності надзвичайно сильних магнітних полів, таких, які існують навколо нейтронних зір. Це ще раз показує, що нейтронні зорі є безцінними лабораторіями для вивчення фундаментальних законів природи», — наголошує Роберто Туролла (Roberto Turolla) з університету Падуї (Італія).
На малюнку показано, як світло, що виходить від поверхні нейтронної зорі (ліворуч) з сильним магнітним полем стає лінійно поляризованим, коли воно проходить через вакуум поблизу зорі на своєму шляху до спостерігача на Землі (праворуч). Поляризація спостережуваного світла в дуже сильному магнітному полі дозволяє припустити, що порожній простір навколо нейтронної зорі спричиняє квантовий ефект, відомий як вакуумне подвійне променезаломлення, передбачене квантовою електродинамікою. Його передбачили в 1930-х роках, але досі не спостерігали. Напрямки магнітних та електричних полів світлових променів позначено червоними і синіми лініями з стрілками. Результати моделювання показують, як тільки вони будуть вирівняні, світло стає поляризованим. Цю поляризацію можна виявити з допомогою чутливих приладів на Землі. Фото з сайту www.eso.org.
Після ретельного аналізу даних, отриманих з допомогою VLT, Міґнані і його команда виявила лінійну поляризацію — майже на 16% вищу. Це підвищення, як вважають науковці, ймовірно, пов’язане з дією вакуумного подвійного променезаломлення, що відбувається в ділянці порожнього простору навколо RX J1856.5-3754. Існують й інші процеси, які можуть поляризувати світло зір, яке рухається крізь простір. Науковці ретельно розглянули інші можливості, наприклад, поляризацію, що виникає унаслідок розсіювання на пилових частинках. Висновок такий — інші причини зареєстрованого ними сигналу поляризації малоймовірні.
Вінченцо Теста (Vincenzo Testa, INAF, Рим, Італія) зауважив: «Це найслабший об’єкт, поляризація світла якого коли-небудь була виміряна. Для цього знадобився один з найбільших і найефективніших у світі телескопів (VLT), а також методи аналізу точних даних для підвищення сигналу від такої слабкої зорі».
«Високу лінійну поляризацію, яку ми виміряли з допомогою VLT, неможливо легко пояснити нашими моделями, якщо не зважати на ефекти вакуумного подвійного променезаломлення, передбачені КЕД», — додає Міґнані. Він мріє про подальші якісніші дослідження в цій галузі з допомогою більших телескопів: «Вимірювання поляризації з наступним поколінням телескопів, таких як Європейський надзвичайно великий телескоп Європейської південної обсерваторії, може зіграти вирішальну роль в тестуванні КЕД передбачення ефектів вакуумного подвійного променезаломлення навколо багатьох інших нейтронних зір».
За інф. www.eso.org підготував Іван Крячко
