天文学家发现了太空中奇怪的量子畸变的迹象

对一颗极暗的恒星的简单观察可能从字面上指出了奇怪的量子现象的最大表现。 一组天文学家报告称,400光年远的一颗孤独的中子星的光被极化,就像从池塘反射的光一样。 这表明,正如预测的那样,中子星的超强磁场通过量子力学效应扭曲了空间,这种效应涉及隐藏在真空中的幽灵“虚拟”粒子 - 这种物质通常只在原子尺度上看到。

“这真的很酷,”耶路撒冷希伯来大学天体物理学家Nir Shaviv说,他预测2000年的天体物理效应,但没有参与当前的工作。 “这是量子场的宏观表现,”加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学的天体物理学家Jeremy Heyl补充道,他与Shaviv一起做出了预测。 “它在中子星的规模上表现出来。”

构成光的光子是在空间中波动的电磁波。 当光被偏振时,光子在相同的方向上来回振荡 - 例如,对于垂直偏振光上下振荡,或者对于水平偏振光从一侧到另一侧振荡。 据目前,意大利米兰空间天体物理研究所的天文学家罗伯托米尼亚尼领导的研究小组报告说,现在,新的观测显示来自附近中子星的光明显极化。 2015年5月和6月,研究人员在智利的Cerro Paranal研究了中子星,称为RX J1856.5-3754和欧洲南方天文台的超大望远镜阵列。他们发现 ,正如他们今天在皇家天文学会月度通知中所报告的那样。

简单地进行测量是一项重大成就。 中子星的X射线比可见光更亮。 但科学家们想要寻找极化效应,目前还没有具有足够偏振灵敏度的X射线仪器。 因此,研究人员必须研究其微弱的光学发光,Mignani解释说。 他说,这项任务类似于在地球和月球之间找到蜡烛的地方。

虽然具有挑战性,但测量极化将是重要量子力学效应的验证。 自20世纪20年代量子理论的发明以来,物理学家们已经知道空空间的真空不是一种无菌的静态物质。 由于量子的不确定性,真空会产生粒子 - 反粒子对,这种粒子 - 反粒子对的存在和存在太快而无法看到。 虽然这些虚拟粒子不能直接捕获,但它们会影响真空的特性。 例如,通过与这些对相互作用,强电场可以改变真空,从而改变原子的内部工作。

在20世纪30年代,物理学家意识到非常强的磁场会影响真空中的虚拟粒子,并使光以不同的速度传播,这取决于极化方向。 双速效应被称为双折射,它被用于许多光学设备中。 它赋予晶体方解石以其产生双重物体图像的着名能力。 但是这种效应是通过量子效应产生的。 Heyl解释说,在真空中,虚拟粒子对可以更容易地沿着磁场移动而不是垂直于它。 因此,沿着磁场偏振的光与虚拟粒子的相互作用更强,并且与垂直于场的偏振光相比,光的速度稍微减慢,Heyl说。

2000年,Heyl和Shaviv预测,中子星的磁场强度比地球强10万亿倍,足以在中子星附近产生双折射。 他们认为,双折射会导致来自中子星的光的整体偏振。 现在,米尼亚尼和他的同事说他们已经发现了这种效应。

为了得出这个结论,研究人员不得不排除其他影响,例如沿着视线的尘埃粒子可能产生的极化。 米尼亚尼指出,这颗恒星有点接近分子云。 但他表示,云计算出现在恒星后面而不是在它前面。 即使它在中子星的前面,计算表明它只会产生1%的极化。 “我们相信星际介质没有任何影响,”米尼亚尼说。 “我们看到的物理学是中子星所固有的。”

Shaviv同意,看起来Mignani及其同事已经发现了这种效应。 “它看起来确实像它,闻起来像它,”他说。 然而,Heyl说结果不是确定的,因为可能通过假设中子星周围出现意外厚度的等离子体雾来解释极化。 他说,研究人员应重复其他波长的观察,因为量子效应会在较短的波长下变强,但等离子效应会变弱。

真正的回报可能来自一个可以测量X射线光偏振的太空望远镜。 在这种情况下,量子效应的极化基本上应该是100%,Heyl说。 研究极化将使天体物理学家能够推断中子星的大小及其表面引力的强度。 Heyl说,美国和欧洲的研究人员建议在未来十年内推出能够进行这种偏振测量的X射线望远镜。 “希望在未来10年内,它将从发现 - 我们有第一个提示 - 到使用它作为工具。”