Ein „schöner Effekt“, der von der Quantenelektrodynamik (QED) vorhergesagt wird, kann die rätselhaften ersten Beobachtungen von polarisierter Röntgenstrahlung erklären, die von einem Magnetar ausgesandt wird – einem Neutronenstern mit einem starken Magnetfeld, so ein Astrophysiker aus Cornell.
Es wurde erwartet, dass der extrem dichte und heiße Überrest eines massereichen Sterns mit einem Magnetfeld, das 100 Billionen Mal stärker ist als das der Erde, stark polarisierte Röntgenstrahlen erzeugt, was bedeutet, dass das elektromagnetische Feld der Strahlung nicht zufällig schwingt, sondern eine bevorzugte Richtung hat.
Die Wissenschaftler waren jedoch überrascht, als der NASA-Satellit Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) im vergangenen Jahr feststellte, dass die Röntgenstrahlen mit niedrigerer und höherer Energie unterschiedlich polarisiert waren, wobei die elektromagnetischen Felder im rechten Winkel zueinander standen.
Das Phänomen lässt sich auf natürliche Weise als Ergebnis der „Photonenmetamorphose“ erklären – einer Umwandlung von Röntgenphotonen, die zwar theoretisch beschrieben, aber nie direkt beobachtet wurde, so Dong Lai, Ph.D. ’94, der Benson Jay Simon ’59, MBA ’62, und Mary Ellen Simon, M.A. ’63, Professor für Astrophysik am College of Arts and Sciences.
„In dieser Beobachtung der Strahlung eines weit entfernten Himmelsobjekts sehen wir einen wunderschönen Effekt, der eine Manifestation komplizierter, fundamentaler Physik ist“, sagte Lai. „Die QED ist eine der erfolgreichsten Theorien der Physik, aber sie wurde noch nicht unter solch starken Magnetfeldbedingungen getestet.“
Lai ist der Autor des Buches „IXPE Detection of Polarized X-rays from Magnetars and Photon Mode Conversion at QED Vacuum Resonance“, das am 18. April in Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde.
Die Forschungsarbeit stützt sich auf Berechnungen, die Lai und Wynn Ho, Ph.D. ’03, vor 20 Jahren veröffentlicht haben, und bezieht Beobachtungen mit ein, die die NASA im vergangenen November über den Magnetar 4U 0142+61 in der Konstellation Kassiopeia in 13.000 Lichtjahren Entfernung gemeldet hat.
Die Quantenelektrodynamik, die mikroskopische Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Photonen beschreibt, sagt voraus, dass die Röntgenphotonen beim Austritt aus der dünnen Atmosphäre des Neutronensterns, die aus heißem, magnetisiertem Gas oder Plasma besteht, eine Phase durchlaufen, die als Vakuumresonanz bezeichnet wird.
Dort, so Lai, können sich die Photonen, die keine Ladung haben, vorübergehend in Paare „virtueller“ Elektronen und Positronen umwandeln, die vom superstarken Magnetfeld des Magnetars selbst im Vakuum beeinflusst werden, ein Prozess, der „Vakuum-Doppelbrechung“ genannt wird. In Kombination mit einem verwandten Prozess, der Plasmadoppelbrechung, werden Bedingungen geschaffen, unter denen die Polarität der hochenergetischen Röntgenstrahlen im Verhältnis zu den niederenergetischen Röntgenstrahlen um 90 Grad schwanken kann, so Lais Analyse.
„Man kann sich die Polarisation als zwei Arten von Photonen vorstellen“, sagte er. „Ein Photon, das plötzlich von einer Geschmacksrichtung in die andere wechselt – so etwas sieht man normalerweise nicht. Aber es ist eine natürliche Konsequenz der Physik, wenn man die Theorie unter diesen extremen Bedingungen anwendet.“
Die IXPE-Mission konnte den Polarisationswechsel bei der Beobachtung eines anderen Magnetars, 1RXS J170849.0-400910, mit einem noch stärkeren Magnetfeld nicht beobachten. Lai sagte, dies stimme mit seinen Berechnungen überein, die nahelegen, dass Vakuumresonanz und Photonenmetamorphose sehr tief im Inneren eines solchen Neutronensterns auftreten würden.
Lai sagte, dass seine Interpretation der IXPE-Beobachtungen des Magnetars 4U 0142+61 dazu beigetragen hat, sein Magnetfeld und seine Rotation einzugrenzen, und dass seine Atmosphäre wahrscheinlich aus teilweise ionisierten schweren Elementen besteht.
Die laufende Untersuchung der Röntgenstrahlung von einigen der extremsten Objekte des Universums, darunter Neutronensterne und Schwarze Löcher, ermöglicht es den Wissenschaftlern, das Verhalten der Materie unter Bedingungen zu untersuchen, die im Labor nicht nachgestellt werden können, und trägt zum Verständnis der Schönheit und Vielfalt des Universums bei.
„Die Beobachtungen von IXPE haben ein neues Fenster für die Untersuchung der Oberflächenumgebung von Neutronensternen geöffnet“, sagte Lai. „Dies wird zu neuen Erkenntnissen über diese rätselhaften Objekte führen.“
