Astrofizikçi Dong Lai, “foton metamorfozu” adı verilen bir kuantum elektrodinamiği (QED) etkisinin, yoğun manyetik alana sahip bir nötron yıldızı olan bir magnetardan gelen beklenmedik X-ışını polarizasyonu gözlemlerini açıkladığını teorileştiriyor. Lai’nin teorisi, magnetarın manyetize edilmiş atmosferinden geçen X-ışını fotonlarının geçici olarak “sanal” elektron ve pozitron çiftlerine dönüşerek düşük ve yüksek enerjili X-ışınları için farklı polarizasyonlara yol açabileceğini ileri sürer.
Kuantum elektrodinamiği (QED) tarafından tahmin edilen “güzel bir etki”, bir magnetardan yayılan polarize X ışınlarının şaşırtıcı ilk gözlemlerine (bir tür nötron yıldızı) açıklama sağlayabilir. bir Cornell astrofizikçisine göre son derece güçlü bir manyetik alan tarafından.
Dünya’nınkini 100 trilyon kat aşan bir manyetik alanla donatılmış, devasa bir yıldızın son derece yoğun ve sıcak kalıntısının belirgin şekilde polarize X-ışınları üreteceği tahmin ediliyordu. Bu, radyasyonun elektromanyetik alanının rastgele titreşmediği, tercih edilen bir yöne sahip olduğu anlamına gelir.
Ancak NASA’nın Görüntüleme X-ışını Polarimetri Gezgini (IXPE) uydusu geçen yıl düşük ve yüksek enerjili X-ışınlarının, elektromanyetik alanların birbirine dik açılarla yönlendirilmesiyle farklı şekilde kutuplandığını tespit ettiğinde bilim adamları şaşırdı.
Bu fenomen, doğal olarak, X-ışını fotonunun bir dönüşümü olan “foton metamorfozu”nun bir sonucu olarak açıklanabilir. Dong Lai, Ph.D. ’94, Benson Jay Simon ’59, MBA ’62 ve Mary Ellen Simon, M.A. ’63, College of Arts and Sciences’ta Astrofizik Profesörü.
“Uzaktaki bir göksel nesneden gelen bu radyasyon gözleminde, karmaşık, temel fiziğin bir tezahürü olan güzel bir etki görüyoruz,” dedi Lai. “QED, en başarılı fizik teorilerinden biridir, ancak bu kadar güçlü manyetik alan koşullarında test edilmemiştir.”
Lai, Proceedings of the National Academy of Sciences’ta yayınlanan yakın tarihli bir araştırmanın yazarıdır.
Araştırma, Lai ve Ph.D. ’03, 20 yıl önce yayınlandı, Cassiopeia takımyıldızında 13.000 ışıkyılı uzaklıkta bulunan 4U 0142+61 magnetarının NASA geçen Kasım ayında bildirdiği gözlemlerini içeriyor.
Elektronlar ve fotonlar arasındaki mikroskobik etkileşimleri açıklayan kuantum elektrodinamiği, X-ışını fotonlarının yeni yıldızdan çıktığını tahmin ediyor tron yıldızının sıcak, manyetize gaz veya plazmadan oluşan ince atmosferinde, vakum rezonansı adı verilen bir aşamadan geçerler.
Burada, dedi Lai, yükü olmayan fotonlar, vakumda bile magnetarın süper güçlü manyetik alanından etkilenen “sanal” elektron ve pozitron çiftlerine geçici olarak dönüşebilir, bu süreç “vakum çift kırılması” olarak adlandırılır. Lai’nin analizine göre, ilgili bir işlem olan plazma çift kırılması ile birleştiğinde, yüksek enerjili X ışınlarının polaritesinin düşük enerjili X ışınlarına göre 90 derece salınması için koşullar yaratılır.
Polarizasyonu, fotonların iki çeşidi olarak düşünebilirsiniz, dedi. “Aniden bir tattan diğerine dönüşen bir foton – genellikle böyle bir şey görmezsiniz. Ancak teoriyi bu aşırı koşullar altında uygularsanız, bu fiziğin doğal bir sonucudur.”
IXPE görevi, daha da güçlü bir manyetik alana sahip 1RXS J170849.0-400910 adlı başka bir magnetarın gözlemlerinde kutuplaşma salınımını görmedi. Lai, bunun, vakum rezonansının ve foton metamorfozunun böyle bir nötron yıldızının içinde çok derinlerde meydana geleceğini öne süren hesaplamalarıyla tutarlı olduğunu söyledi.
Lai, IXPE’nin 4U 0142+61 manyetarına ilişkin gözlemlerine ilişkin yorumunun, magnetarın manyetik alanını ve dönüşünü sınırlamaya yardımcı olduğunu söyledi ve atmosferinin muhtemelen kısmen iyonize olmuş ağır elementlerden oluştuğunu ileri sürdü.
Evrenin en uç nesnelerinden bazılarından gelen X-ışınları üzerinde devam eden çalışma Nötron yıldızları ve kara deliklerin, bilim adamlarının maddenin davranışını laboratuvarlarda tekrarlanamayacak koşullarda incelemesine olanak sağladığını ve evrenin güzelliği ve çeşitliliğine ilişkin anlayışımıza katkıda bulunduğunu söyledi.
“IXPE tarafından yapılan gözlemler, nötron yıldızlarının yüzey ortamını incelemek için yeni bir pencere açtı” dedi Lai. “Bu, bu esrarengiz nesneler hakkında yeni içgörülere yol açacaktır.”
Referans: “QED vakum rezonansında manyetarlardan polarize X-ışınlarının IXPE tespiti ve QED vakum rezonansında foton modu dönüşümü”, yazan Dong Lai, 18 Nisan 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2216534120