2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Die Manifestation des Doppelbrechungseffekts im Vakuum unter dem Einfluss starker Magnetfelder in der Nähe eines Neutronensterns aus Sicht der Künstlerin.
Wissenschaftler aus Italien, Polen und dem Vereinigten Königreich haben angeblich den ersten Beweis für einen ungewöhnlichen Quanteneffekt gefunden - Doppelbrechung von Licht im Vakuum unter dem Einfluss starker Magnetfelder in der Nähe des Neutronensterns RX J1856.5-3754. Die experimentelle Beobachtung dieses Effekts ist nach Ansicht der Autoren ein direkter Beweis für die Gültigkeit der Quantenelektrodynamik im Starkfeldlimit. Die Arbeit wurde in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht, eine kurze Beschreibung ist auf der Website der European Southern Observatory verfügbar.
Die Quantenelektrodynamik ist eine Theorie, die die Auswirkungen der Wechselwirkung von Strahlung mit Materie und geladenen Teilchen miteinander erklärt, die die Diskretion (Quantisierung) der Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes berücksichtigt. Nach dieser Theorie lässt sich die Wechselwirkung z. B. zwischen Photonen durch deren intermediäre Wechselwirkung mit einigen virtuellen Teilchen (Teilchen-Antiteilchen-Paare) erklären. Das Vakuum ist also kein absolut leerer Raum, wenn wir es aus der Sicht der Quantenelektrodynamik betrachten.
Unter normalen Bedingungen ist es unmöglich, die Entstehung dieser virtuellen Teilchen zu fixieren - Lichtstrahlen geringer Intensität durchdringen sich praktisch ohne Wechselwirkung. Wie die Theorie vorhersagt, kann man jedoch bei einer Photonenenergie von mehreren zehn Teraelektronenvolt die Streuung eines Lichtstrahls an einem anderen sehen. Es sind enorme Werte der Stärke elektrischer oder magnetischer Felder erforderlich (Licht ist eine elektromagnetische Welle), damit die Entstehung eines Paares virtueller Teilchen nicht spurlos vorübergeht. Der aktuelle Stand der Technik erlaubt es nicht, diese zu erreichen.
Es gibt jedoch Objekte in der Natur, die starke Felder erzeugen. Dies sind zunächst einmal Pulsare – schnell rotierende Neutronensterne. Die Magnetfelder von Pulsaren können eine Induktion in Milliarden und Billionen Tesla erreichen, während der vom Menschen aufgestellte Rekord für die Feldinduktion nur annähernd 3.000 Tesla (für gepulste Felder) und etwa 100 Tesla für Permanentmagnete erreicht.
Aber die Energie superstarker Felder in der Nähe von Neutronensternen sollte ausreichen, um das Licht zu beeinflussen, das der Stern durch ein solches Medium durchdringt. Unter solchen Bedingungen kann beispielsweise ein ungewöhnliches Phänomen beobachtet werden - die Doppelbrechung im Vakuum, deren Auftreten im Rahmen der Quantenelektrodynamik theoretisch vorhergesagt wurde. Der Vergleich experimenteller Studien zur Doppelbrechung und theoretischer Vorhersagen kann eine wichtige neue Bestätigung der Theorie liefern.
Der Effekt der Doppelbrechung am Beispiel eines Calcitkristalls.
Das Phänomen der Doppelbrechung im Vakuum kann am Beispiel seines "terrestrischen" Analogons in nichtlinearen optischen Kristallen erklärt werden. Wenn polarisiertes Licht durch einen solchen anisotropen Kristall (dessen Eigenschaften in verschiedenen Richtungen unterschiedlich sind) wie Calcit hindurchtritt, teilt es sich in zwei Strahlen mit unterschiedlicher Polarisation auf (Polarisation ist eine gerichtete Schwingung der Vektoren der elektrischen Feldstärke E oder des magnetischen Feldstärke H). Ähnliches lässt sich bei superstarken Feldern im Vakuum beobachten.
Die Autoren der neuen Arbeit entschieden sich, das Magnetfeld von Neutronensternen zu nutzen, um die "optischen Eigenschaften" des umgebenden Vakuums zu studieren. Wissenschaftler haben das polarisierte Licht des Neutronensterns RX J1856.5-3754 mit dem Very Large Telescope (VLT) am Paranal-Observatorium in Chile beobachtet. Als Ergebnis der Analyse des vom Pulsar gesammelten Signals haben Wissenschaftler eine extrem hohe lineare Polarisation des Lichts des Sterns festgestellt - etwa 16 Prozent. Wissenschaftler interpretierten dies als Folge der Vakuum-Doppelbrechung im Raum um den Pulsar RX J1856.5-3754.
Es gibt andere Prozesse, die zur Polarisation des Sternenlichts während seiner Ausbreitung im Weltraum führen können. Daher analysierten die Wissenschaftler sorgfältig die Möglichkeiten anderer Erklärungen - zum Beispiel die Polarisation bei Streuung durch Staubpartikel. Unter der Annahme, dass die Materie in der Nähe des Sterns nicht aus vielen gleich ausgerichteten Teilchen besteht, kann der Polarisationsgrad aufgrund dieses Effekts nur wenige Prozent erreichen. Die Tatsache, dass die Materiedichte in der Nähe des Pulsars RX J1856.5-3754 recht gering ist (dies folgt aus anderen Beobachtungen), legt nahe, dass dieser Effekt keinen signifikanten Einfluss auf das Beobachtungsergebnis haben sollte.
„Die am VLT durchgeführte Studie ist die allererste Beobachtungsbestätigung der Vorhersagen der Auswirkungen der Quantenelektrodynamik in extrem starken Magnetfeldern“, bemerkt eine der Autoren der Arbeit, Sylvia Zane.
Pulsar RX J1856.5-3754 ist ein Mitglied der Gruppe der Neutronensterne, die als die glorreichen Sieben bekannt sind. Dies sind isolierte Neutronensterne, die keinen stellaren Begleiter haben, im Gegensatz zu Pulsaren keine Radiowellen aussenden und nicht von Materie umgeben sind, die nach der Explosion der Supernovae, die sie hervorgebracht hat, übrig geblieben ist. Pulsar RX J1856.5-3754 befindet sich 400 Lichtjahre von der Erde entfernt und ist das hellste Objekt in dieser Gruppe.
