Denna konstnärs uppfattning visar hur ljuset som kommer från ytan på en starkt magnetisk neutronstjärna (vänster) blir linjärt polariserat när det färdas genom rymden i rymden nära stjärnan på väg till observatören på jorden (höger). Polarisationen av det observerade ljuset i det extremt starka magnetfältet tyder på att det tomma utrymmet runt neutronstjärnan utsätts för en kvanteffekt som kallas vakuum dubbelbrytning, en förutsägelse av kvantelektrodynamik (QED). Denna effekt förutsades på 1930 -talet men har inte observerats tidigare. Ljusstrålarnas magnetiska och elektriska fältriktningar visas med de röda och blå linjerna. Modelsimuleringar av Roberto Taverna (University of Padua, Italien) och Denis Gonzalez Caniulef (UCL/MSSL, Storbritannien) visar hur dessa anpassar sig längs en föredragen riktning när ljuset passerar genom området runt neutronstjärnan. När de blir i linje blir ljuset polariserat, och denna polarisering kan detekteras av känsliga instrument på jorden. Kredit:ESO/L. Calçada
Genom att studera ljuset från en utomordentligt tät och starkt magnetiserad neutronstjärna med hjälp av ESO:s Very Large Telescope, astronomer kan ha hittat de första observationsindikationerna på en märklig kvanteffekt, först förutspåddes på 1930 -talet. Polarisationen av det observerade ljuset antyder att det tomma utrymmet runt neutronstjärnan utsätts för en kvanteffekt som kallas vakuum dubbelbrytning.
Ett team som leds av Roberto Mignani från INAF Milan (Italien) och från universitetet i Zielona Gora (Polen), använde ESO:s Very Large Telescope (VLT) vid Paranal-observatoriet i Chile för att observera neutronstjärnan RX J1856.5-3754, cirka 400 ljusår från jorden.
Trots att de är bland de närmaste neutronstjärnorna, dess extrema dunkel innebar att astronomerna bara kunde observera stjärnan med synligt ljus med FORS2 -instrumentet på VLT, vid gränserna för nuvarande teleskopteknik.
Neutronstjärnor är de mycket täta kvarvarande kärnorna av massiva stjärnor - minst 10 gånger mer massiva än vår sol - som har exploderat som supernovor i slutet av deras liv. De har också extrema magnetfält, miljarder gånger starkare än solens, som genomsyrar deras yttre yta och omgivning.
Dessa fält är så starka att de till och med påverkar egenskaperna hos det tomma utrymmet runt stjärnan. Normalt anses ett vakuum vara helt tomt, och ljus kan färdas genom det utan att förändras. Men i kvantelektrodynamik (QED), kvantteorin som beskriver samspelet mellan fotoner och laddade partiklar som elektroner, rymden är full av virtuella partiklar som dyker upp och försvinner hela tiden. Mycket starka magnetfält kan modifiera detta utrymme så att det påverkar polariseringen av ljus som passerar genom det.
Mignani förklarar:"Enligt QED, ett mycket magnetiserat vakuum fungerar som ett prisma för spridning av ljus, en effekt som kallas vakuum dubbelbrytning. "
Bland de många förutsägelserna om QED, dock, vakuum dubbelbrytning hittills saknade en direkt experimentell demonstration. Försök att upptäcka det i laboratoriet har ännu inte lyckats under de 80 år sedan det förutspåddes i en artikel av Werner Heisenberg (om osäkerhetsprincip berömmelse) och Hans Heinrich Euler.
Denna breda fältbild visar himlen runt den mycket svaga neutronstjärnan RX J1856.5-3754 i den södra konstellationen Corona Australis. Denna del av himlen innehåller också intressanta områden med mörk och ljus nebulositet som omger den variabla stjärnan R Coronae Australis (övre vänstra), liksom det globulära stjärnhopen NGC 6723. Neutronstjärnan i sig är för svag för att ses här, men ligger mycket nära bildens mitt. Upphovsman:ESO/Digitized Sky Survey 2
"Denna effekt kan endast detekteras i närvaro av enormt starka magnetfält, som de runt neutronstjärnor. Detta visar, en gång till, att neutronstjärnor är ovärderliga laboratorier för att studera de grundläggande naturlagarna. "säger Roberto Turolla (University of Padua, Italien).
Efter noggrann analys av VLT -data, Mignani och hans team upptäckte linjär polarisering-i en betydande grad på cirka 16%-som de säger sannolikt beror på den ökande effekten av vakuum dubbelbrytning som uppstår i det tomma utrymmet som omger RX J1856.5-3754.
Vincenzo Testa (INAF, Rom, Italien) kommenterar:"Detta är det svagaste objektet för vilket polarisering någonsin har mätts. Det krävde ett av de största och mest effektiva teleskop i världen, VLT, och noggranna dataanalystekniker för att förstärka signalen från en sådan svag stjärna. "
"Den höga linjära polarisationen som vi mätte med VLT kan inte enkelt förklaras av våra modeller om inte de vakuum dubbelbrytningseffekter som förutses av QED ingår, "tillägger Mignani.
"Denna VLT -studie är det allra första observationsstödet för förutsägelser av denna typ av QED -effekter som uppstår i extremt starka magnetfält, "anmärker Silvia Zane (UCL/MSSL, STORBRITANNIEN).
Mignani är upphetsad över ytterligare förbättringar av detta studieområde som kan uppstå med mer avancerade teleskop:"Polarisationsmätningar med nästa generations teleskop, t.ex. ESO:s europeiska extremt stora teleskop, kan spela en avgörande roll för att testa QED -förutsägelser om vakuum dubbelbrytningseffekter runt många fler neutronstjärnor. "
"Denna mätning, gjord för första gången nu i synligt ljus, banar också väg för liknande mätningar som ska utföras vid röntgenvåglängder, "tillägger Kinwah Wu (UCL/MSSL, STORBRITANNIEN).
Denna forskning presenterades i artikeln "Bevis för vakuum dubbelbrytning från den första optiska polarimetri -mätningen av den isolerade neutronstjärnan RX J1856.5−3754", av R. Mignani et al., att visas i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .
