Поляризация света звезды: необычное квантовое искажение
«Это действительно круто», заявляет Нил Шавив, астрофизик из Еврейского университета в Иерусалиме, который предсказал этот астрофизический эффект в 2000 году, но не был вовлечен в текущую работу. «Это макроскопическое проявление квантового поля, которое проявляется в масштабе нейтронной звезды», добавляет Джереми Хейл, астрофизик из Университета Британской Колумбии в Ванкувере, Канада, который сделал предсказание наряду с Шавивом. С ними трудно не согласиться: Обычно явления такого рода наблюдались лишь на атомарном уровне.
Фотоны, которые составляют свет, являются электромагнитными волнами, пронзающими пространство. Когда свет поляризован, фотоны колеблются в том же направлении: к примеру, для вертикально поляризованного света они колеблются вверх и вниз, а для горизонтально поляризованного — из стороны в сторону. Новые наблюдения показывают, что свет от близлежащей нейронной звезды в значительной степени поляризован, как сообщает команда исследователей во главе с Роберто Мигнани, астрономом Института пространственной астрофизики в Милане, Италия. Исследователи изучали нейтронную звезду, известную как RX J1856.5−3754, с помощью Очень Большого Телескопа (VLT)Европейской Южной Обсерватории на протяжении мая и июня 2015 года. В результате они обнаружили, что свет нейтронной звезды поляризован примерно на 16,4%.
Само по себе это измерение является существенным достижением. Нейтронная звезда сияет в рентгеновских лучах намного ярче, чем в видимом свете. Но ученые, которые хотели обнаружить эффект поляризации, столкнулись с тем, что в настоящее время в мире попросту нет достаточно чувствительного оборудования. Таким образом, как объясняет Мигнани, команда решила вместо этого наблюдать слабое оптическое свечение. Эта задача, по словам ученых, была похожа на попытку разглядеть мерцающую свечу где-то на полпути между Землей и Луной.
Помимо этого, важной задачей была проверка квантово-механического эффекта. С момент изобретения квантовой теории в 1920-х годах, физикам стало понятно, что вакуум не является стерильным и статичным. Из-за квантовой неопределенности там происходит возникновение пар частица-античастица, которые существуют слишком короткий промежуток времени, чтобы мы могли это заметить. И хотя непосредственно сами эти частицы не могут быть захвачены для анализа, они тем не менее могут влиять на свойства вакуума. Например, при взаимодействии с этими парами сильное электрическое поле может изменить вакуум и, следовательно, внутренние процессы атомов.
В 1930-х годах физики поняли, что очень сильное магнитное поле будет влиять на виртуальные частицы в вакууме и заставит свет двигаться с разной скоростью, в зависимости от направления поляризации. Этот эффект известен как «двойное лучепреломление», и он используется во многих оптических устройствах. Именно он дает кристаллам кальцита знаменитую возможность производить двойные изображения объектов. Но само по себе лучепреломление возникает за счет квантовых эффектов. Пара виртуальных частиц в вакууме легче двигается вдоль магнитного поля, нежели перпендикулярно к нему. Таким образом, свет, поляризованный по направлению магнитного поля, сильнее взаимодействует с частицами и замедляется совершенно незначительно, особенно в сравнении с тем, который поляризован перпендикулярно.
В 2000 году Хейл и Шавив предсказали, что магнитное поле нейтронной звезды в 10 триллионов (!) раз сильнее, чем поле Земли, что позволяет вызвать в ее окрестностях двойное лучепреломление. Они утверждали, что оно приводит к общей поляризации света звезды, и теперь Мигнани и коллегам наконец удалось это увидеть.
Для того, чтобы сделать подобное заключение, исследователи должны были исключить другие эффекты, такие как, например, поляризация, которая может возникнуть от частиц пыли вдоль линии прямой видимости. Звезда находится близко к молекулярному облаку, но оно расположено позади звезды, а не перед ним (конечно, если речь идет о наблюдателе с Земли). Но даже если облако будет перед звездой, расчеты показывают, что оно будет поляризовать лишь 1% света. «Как бы то ни было, мы твердо уверены, что в данном случае нет никакого эффекта межзвездной среды», говорит Мигнани.
Тем не менее, этот вывод не является окончательным, так как поляризацию может объяснить также и слишком густая плазменная дымка вокруг самой звезды. Для того, чтобы убедиться в своей правоте, исследователи должны повторить наблюдения на других длинах волн: согласно их теории, квантовый эффект будет становиться сильнее на более коротких волнах, в то время как эффект плазмы будет ослабевать. Изучение поляризации в дальнейшем позволит астрофизикам сделать вывод о свойствах нейтронной звезды такого размера, и силе тяжести на ее поверхности. Хейл говорит, что США и европейские исследователи предлагают в следующем десятилетии запустить разработку рентгеновских телескопов, способных сделать прямые измерения поляризации таких объектов возможными.
