První známky podivných kvantových vlastností prázdného prostoru?

ESO 041/16 tisková zpráva

Pozorování neutronové hvězdy pomocí VLT mohou potvrdit 80 let starou předpověď vlastností vakua

Roberto Mignani (INAF Milan, Itálie; University of Zielona Gora, Polsko) a jeho tým využili dalekohled ESO/VLT (Very Large Telescope) pracující na observatoři Paranal v Chile ke zkoumání neutronové hvězdy (neutron star) RX J1856.5-3754, která leží asi 400 světelných let od Slunce [1].

Přestože se jedná o jednu z nejbližších známých neutronových hvězd, je tak mimořádně slabá, že její pozorování pomocí přístroje FORS2 a dalekohledu VLT bylo doslova na hranici technických možností současných astronomických zařízení.

Neutronové hvězdy jsou velmi hustými pozůstatky jader hvězd alespoň desetkrát hmotnějších než Slunce, které v závěrečné fázi svého vývoje explodovaly jako supernovy (supernovae). Nesou mimořádně silné magnetické pole – miliardkrát silnější než například u Slunce, které proniká jejich povrchovými vrstvami do okolního prostoru.

Magnetická pole neutronových hvězd jsou tak silná, že mohou ovlivňovat dokonce vlastnosti prázdného prostoru v okolí. Vakuum většinou považujeme za naprosto prázdné a světlo jím může procházet bez jakékoliv změny. Z pohledu kvantové elektrodynamiky (quantum electrodynamics, QED) je však prázdný prostor naplněn neustále vznikajícími a zanikajícími virtuálními nabitými částicemi. Kvantová teorie popisuje rovněž interakce mezi těmito nabitými částicemi a fotony. Velmi silná magnetická pole mohou ovlivňovat vlastnosti prostoru takovým způsobem, že i ve vakuu může docházet ke změnám polarizace světla, které jím prochází.

Roberto Mignani vysvětluje: „Podle kvantové elektrodynamiky se vakuum v silném magnetickém poli při průchodu světla chová podobně jako hranol a dochází zde k jevu, který je známý jako dvojlom vakua.“

Dvojlom vakua (vacuum birefringence) je jedním z mnoha jevů předpovězených v rámci kvantové elektrodynamiky, ale jako jeden z mála dosud nebyl pozorován. Pokusy o jeho detekci v laboratorních podmínkách jsou neúspěšné již 80 let, od doby, kdy existenci jevu předpověděli Werner Heisenberg a Hans Heinrich Euler.

„Jev lze detekovat pouze za přítomnosti mimořádně silných magnetických polí, jaká se vyskytují například v okolí neutronových hvězd. To znovu ukazuje, že neutronové hvězdy představují pro vědce nenahraditelné přírodní laboratoře, ve kterých je možné testovat základní zákony přírody,“ říká Roberto Turolla (University of Padua, Itálie).

Po pečlivé analýze dat získaných pomocí dalekohledu VLT se týmu podařilo odhalit známky lineární polarizace (na úrovni kolem 16%) – což by mohlo být důsledkem zesilujícího efektu vakuového dvojlomu, který nastává v prázdném prostoru obklopujícím neutronovou hvězdu RX J1856.5-3754 [2].

Představa znázorňuje, jakým způsobem světlo opouští povrch silně magnetické neutronové hvězdy (vlevo) a následně dochází k jeho lineární polarizaci při průchodu vakuem kosmického prostoru v blízkosti neutronové hvězdy (předtím, než dorazí k Zemi). Polarizace pozorovaného světla extrémně silným magnetickým polem naznačuje, že prázdný prostor kolem neutronové hvězdy podléhá kvantovým efektům, jakým je například dvojlom vakua, jehož existenci předpovídá kvantová elektrodynamika (QED). Jev byl předpovězen v roce 1930, ale dosud nebyl pozorován. Směr a orientace vektorů elektrického pole a magnetické indukce jsou znázorněny červenými a modrými čarami. Simulace na základě modelu, jehož autory jsou Roberto Taverna (University of Padua, Italy) a Denis Gonzalez Caniulef (UCL/MSSL, UK), ukazuje, jakým způsobem se vektory srovnávají do preferovaného směru při průchodu světla prostorem v okolí neutronové hvězdy. Kredit: ESO/L. Calçada

Vincenzo Testa (INAF, Rome, Itálie) pozorování dále komentuje: „Jedná se o vůbec nejslabší astronomický objekt, u jakého kdy byla polarizace světla měřena. Pozorování si však vyžádalo využití jednoho z největších a nejefektivnějších dalekohledů světa – VLT a přesnou techniku analýzy dat, která umožnila zvýšit úroveň signálu přicházejícího z takto slabého zdroje.“

"Stupeň lineární polarizace (linear polarisation), který jsme naměřili pomocí VLT, není možné jednoduše vysvětlit pomocí dostupných modelů, pokud nebereme v úvahu také vakuový dvojlom předpovězený kvantovou elektrodynamikou,“ říká dále Roberto Mignani.

„Náš výzkum provedený pomocí dalekohledu VLT představuje první pozorování podporující předpověď existence tohoto typu kvantového efektu vznikajícího v extrémně silných magnetických polích,“ poznamenává Silvia Zane (UCL/MSSL, UK).

Vědci s napětím očekávají další vylepšení možností výzkumu v této oblasti, které přinese příští generace přístrojů a větších dalekohledů. „Měření polarizace pomocí skutečně velkých dalekohledů, jakým bude například teleskop ESO/E-ELT (European Extremely Large Telescope), mohou hrát zásadní úlohu při testování předpovědí kvantové elektrodynamiky stran efektů způsobených dvojlomem vakua u mnohem většího počtu neutronových hvězd.“

„Měření, která jsme provedli ve viditelném světle, rovněž připravují půdu pro obdobné experimenty na vlnových délkách rentgenového záření,“ dodává Kinwah Wu (UCL/MSSL, UK).

Zdroj

Poznámky

[1] Objekt patří do skupiny neutronových hvězd označované názvem ‚Magnificent Seven‘, což by se dalo volně přeložit jako ‚Pozoruhodná sedma‘. (Film s tímto anglickým názvem je v české verzi znám jako ‚Sedm statečných‘, což ale v tomto kontextu postrádá významový smysl). Jedná se o izolované neutronové hvězdy (isolated neutron stars, INS) bez hvězdných souputníků, které nevyzařují v rádiové oblasti (na rozdíl od pulsarů, což jsou rádiově aktivní neutronové hvězdy) a nejsou obklopeny hmotou zbylou po explozi supernovy (při které neutronová hvězda vznikla).

[2] Existuje celá řada procesů, při kterých může dojít k polarizaci světla šířícího se kosmickým prostředím. Členové výzkumného týmu však pečlivě zhodnotili další možnosti – například možnost polarizace následkem rozptylu záření na prachových částicích, ale dospěli k závěru, že je nepravděpodobné, aby pozorovaný signál vznikl takovým způsobem.

Další informace

Výzkum byl prezentován v článku s názvem “Evidence for vacuum birefringence from the first optical polarimetry measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754” autorů R. Mignani a kol., který byl zveřejněn ve vědeckém časopise Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Složení týmu: R.P. Mignani (INAF - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano, Milano, Itálie; Janusz Gil Institute of Astronomy, University of Zielona Góra, Zielona Góra, Polsko), V. Testa (INAF - Osservatorio Astronomico di Roma, Monteporzio, Itálie), D. González Caniulef (Mullard Space Science Laboratory, University College London, UK), R. Taverna (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Universita di Padova, Padova, Itálie), R. Turolla (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Universita di Padova, Padova, Itálie; Mullard Space Science Laboratory, University College London, UK), S. Zane (Mullard Space Science Laboratory, University College London, UK) a K. Wu (Mullard Space Science Laboratory, University College London, UK).

ESO je nejvýznamnější mezivládní astronomická organizace Evropy, která v současnosti provozuje jedny z nejproduktivnějších pozemních astronomických observatoří světa. ESO podporuje celkem 16 zemí: Belgie, Brazílie, Česká republika, Dánsko, Finsko, Francie, Itálie, Německo, Nizozemsko, Portugalsko, Rakousko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Velká Británie a hostící stát Chile. ESO uskutečňuje ambiciózní program zaměřený na návrh, konstrukci a provoz výkonných pozemních pozorovacích komplexů umožňujících astronomům dosáhnout významných vědeckých objevů. ESO také hraje vedoucí úlohu při podpoře a organizaci celosvětové spolupráce v astronomickém výzkumu. ESO provozuje tři unikátní pozorovací střediska světového významu nacházející se v Chile: La Silla, Paranal a Chajnantor. Na Observatoři Paranal, nejvyspělejší astronomické observatoři světa pro viditelnou oblast, pracuje Velmi velký dalekohled VLT a také dva další přehlídkové teleskopy – VISTA a VST. Dalekohled VISTA pozoruje v infračervené části spektra a je největším přehlídkovým teleskopem na světě, dalekohled VST je největším teleskopem navrženým k prohlídce oblohy ve viditelné oblasti spektra. ESO je významným partnerem revolučního astronomického teleskopu ALMA, největšího astronomického projektu současnosti. Nedaleko Paranalu v oblasti Cero Armazones staví ESO nový dalekohled E-ELT (European Extremely Large optical/near-infrared Telescope), který se stane „největším okem hledícím do vesmíru“.

Odkazy

• odborný článek
• snímky dalekohledu VLT

Kontakty

Viktor Votruba; národní kontakt; Astronomický ústav AV , Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: votruba@physics.muni.cz

Jiří Srba; překlad; Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o., Česká republika; Email: jsrba@astrovm.cz

Roberto Mignani; INAF - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano; Milan, Italy; Tel.: +39 02 23699 347; Mobil: +39 328 9685465; Email: mignani@iasf-milano.inaf.it

Vincenzo Testa; INAF - Osservatorio Astronomico di Roma; Monteporzio Catone, Italy; Tel.: +39 06 9428 6482; Email: vincenzo.testa@inaf.it

Roberto Turolla; University of Padova; Padova, Italy; Tel.: +39-049-8277139; Email: turolla@pd.infn.it

Richard Hook; ESO Public Information Officer; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 3200 6655; Mobil: +49 151 1537 3591; Email: rhook@eso.org