A Nature tudományos folyóiratban megjelent friss tanulmány szerint a csillagászok a Földtől távoli, extrém kozmikus környezetet használtak természetes laboratóriumként. Céljuk a kvantumelektrodinamika (QED) egyik alapvető jóslatának, a vákuum-kettőstörésnek a tesztelése volt. A vizsgálat középpontjában az 1E 1547.0-5408 katalógusszámú magnetár állt, amely a Tejútrendszer egyik legismertebb és legerősebb mágneses terű objektuma. Ez a felfedezés jelentős lépést jelenthet a fundamentális fizika megértésében, megerősítve egy közel kilencvenéves elméletet.
A NASA IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) röntgenpolariméteres űrteleszkópja 2024-ben több mint 140 órán keresztül figyelte meg az 1E 1547.0-5408 jelű magnetárt. A méréseket egy egyedülálló nemzetközi együttműködés keretében koordinálták, melybe bevonták a Nemzetközi Űrállomáson működő NICER röntgenteleszkóp, valamint az ausztráliai Parkes rádióteleszkóp adatait is. Ez volt az első olyan vizsgálat, amelyben egy magnetár rádió- és röntgenpolarizációs tulajdonságait összehangoltan elemezték.
Amikor a kutatók elemezni kezdték a beérkező röntgenjeleket, azt tapasztalták, hogy a fény polarizációja – vagyis a fényhullámok rezgési irányának rendezettsége – jóval nagyobb volt annál, mint amit a hagyományos magnetármodellek előre jeleztek. A klasszikus modellek alapján a polarizáció mértékének a csillag forgása során bizonyos fázisokban jelentősen csökkennie kellett volna. A mérések azonban nem ezt igazolták, ami arra utalt, hogy egy olyan fizikai hatás is szerepet játszik, amelyet a felszíni sugárzási modellek önmagukban nem tudnak megmagyarázni.
A kutatócsoport által lefuttatott szimulációk azt mutatták, hogy a megfigyelések a vákuum-kettőstörés jelenségének figyelembevételével írhatók le a legjobban. Ez a jelenség magyarázza, miért maradhatott a magnetárból érkező röntgensugárzás polarizációja nagyobb annál, mint amit a vákuumhatás figyelmen kívül hagyásával várnánk. Az eredmények így erős bizonyítékot szolgáltatnak a vákuum-kettőstörés létezése mellett.
A magnetárok a neutroncsillagok egy különleges alcsoportját alkotják, melyek rendkívül sűrű, összeomlott csillagmagok. Amikor egy nagy tömegű csillag élete végén szupernovaként felrobban, a visszamaradó mag egy elképesztően sűrű objektummá, úgynevezett neutroncsillaggá roppan össze. Ezek a csillagmaradványok körülbelül 1,2–2 naptömegnyi anyagot sűrítenek össze egy alig 20–25 kilométer átmérőjű objektumba, ami egy nagyobb város méretével egyezik meg. Mágneses mezejük a legerősebbek közé tartozik az ismert univerzumban, felszíni erősségük elérheti a 10¹⁴–10¹⁵ gausst, ami több ezermilliárdszor erősebb a Föld mágneses mezejénél. A most vizsgált 1E 1547.0-5408 magnetár különösen érdekes, mert nemcsak intenzív röntgensugárzást bocsát ki, hanem a rádiótartományban is aktív, ami a magnetárok között viszonylag ritka jelenség.
A most vizsgált vákuum-kettőstörés elméletét Werner Heisenberg és Hans Heinrich Euler dolgozta ki 1936-ban, a kvantumelektrodinamika keretein belül. Az elmélet gyökerei Albert Einstein speciális relativitáselméletéhez és a tömeg-energia egyenértékűséghez (E=mc²) vezetnek vissza, mely megmutatta, hogy az energia és az anyag egymásba alakulhat. Erre az alapra épült később a kvantumelektrodinamika, amely szerint a vákuum nem teljesen üres. A kvantumtérelmélet értelmében a vákuumban folyamatosan virtuális részecske-antirészecske párok jelennek meg és tűnnek el.
Amikor egy magnetár rendkívül erős mágneses mezeje kölcsönhatásba lép ezekkel a virtuális részecskékkel, a kvantumelektrodinamika szerint a vákuum optikai tulajdonságai megváltoznak. Ilyenkor a vákuum bizonyos értelemben úgy kezd viselkedni, mint egy kettőstörő kristály, amely a különböző polarizációjú fényhullámokat eltérően befolyásolja. Ez a jelenség a vákuum-kettőstörés, amelyre a mostani eredmények szolgáltattak erős bizonyítékot.
A magnetárból érkező rendkívüli polarizációs adatok eddig a legerősebb asztrofizikai bizonyítékot szolgáltatják a közel kilencvenéves elmélet mellett. Ez az első ilyen meggyőző megfigyelés a röntgentartományban, bár korábban már optikai hullámhosszakon is születtek a vákuum-kettőstörésre utaló eredmények. Hoa Dinh Thi, a houstoni Rice Egyetem posztdoktori kutatója magyarázta, hogy modelljük szerint a megfigyelt röntgenpolarizációs jelek reprodukálásához elengedhetetlen a vákuum-kettőstörés jelenléte a neutroncsillag környezetében, miközben a rádiómérések által megszabott korlátoknak is meg kell felelni.
Ez az eredmény kiválóan példázza, miként teszik lehetővé a neutroncsillagok a fundamentális fizika tesztelését olyan környezetben, amelyet a földi laboratóriumokban lehetetlen lenne lemodellezni. Rachael Stewart, a George Washington Egyetem PhD-hallgatója és a Nature Astronomy tanulmány vezető szerzője hozzátette, hogy az információk, amelyeket ennek a távoli csillagmagnak a vizsgálatával nyertek, közelebb vihetnek minket a természet legalapvetőbb fizikai törvényeinek jobb megértéséhez. Az eredmény valóban kiemeli az asztrofizika diszciplínákon átívelő erejét.
Bár a mostani eredmények rendkívül erős bizonyítékot szolgáltatnak a vákuum-kettőstörés jelensége mellett, a kutatók óvatosan fogalmaznak, és nem tekintik végleges bizonyításnak. A NASA és az Olasz Űrügynökség közös IXPE missziója a jövőben további megfigyeléseket tervez ezen a magnetáron és más hasonló objektumokon is. Ezek a további vizsgálatok kulcsfontosságúak lehetnek az elmélet megerősítésében.
A csillagászok bizakodóak, hogy a beérkező adatok nemcsak tovább erősíthetik a vákuum-kettőstörésre utaló bizonyítékokat, hanem a kvantumelektrodinamika más jóslatait is tesztelhetővé tehetik. Ezáltal olyan extrém környezetben vizsgálhatnak alapvető fizikai jelenségeket, amelyeket földi laboratóriumban jelenleg lehetetlen előállítani. A kutatás így hozzájárulhat a világegyetem működésének mélyebb megértéséhez.
📰 Forrás: Index — Eredeti cikk elolvasása