Ученые из Италии, Польши и Великобритании предположительно нашли первое свидетельство необычного квантового эффекта — двойного лучепреломления света в вакууме под воздействием сильных магнитных полей вблизи нейтронной звезды RX J1856.5-3754. По мнению авторов, экспериментальное наблюдение этого эффекта является прямым доказательством справедливости квантовой электродинамики в пределе сильных полей. Работа опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, краткое ее описание доступно на сайте Южной Европейской обсерватории.
Квантовая электродинамика — теория, объясняющая эффекты взаимодействия излучения с веществом и заряженных частиц между собой, которая учитывает дискретность (квантуемость) свойств электромагнитного поля. Согласно этой теории взаимодействие между, например, фотонами можно объяснить через их промежуточное взаимодействие с некими виртуальными частицами (парами частица-античастица). Таким образом, вакуум не является абсолютно пустым пространством, если рассматривать его с точки зрения квантовой электродинамики.
В обычных условиях зафиксировать рождение этих виртуальных частиц невозможно — пучки света малой интенсивности проходят друг через друга практически без взаимодействия. Однако, как предсказывает теория, при энергии фотонов в несколько десятков тераэлектронвольт можно увидеть рассеяние одного пучка света на другом. Требуются огромные значения силы электрических или магнитных полей (свет — это электромагнитная волна), чтобы рождение пары виртуальных частиц не прошло бесследно. Современный уровень технологий не позволяет их достигать.
Однако в природе есть объекты, генерирующие достаточно сильные поля. В первую очередь, это пульсары — быстро вращающиеся нейтронные звезды. Магнитные поля пульсаров могут достигать индукции в миллиарды и триллионы тесла, в то время как рекорд индукции поля, поставленный человеком лишь приближается к отметке в 3 000 тесла (для импульсных полей) и порядка 100 Тесла для постоянных магнитов.
Явление двойного лучепреломления в вакууме можно пояснить на примере его «земного» аналога, наблюдаемого в нелинейных оптических кристаллах. При прохождении поляризованного света через такой анизотропный кристалл (свойства которого различны по разным направлениям), как кальцит, он расщепляется на два луча, имеющих разную поляризацию (поляризация представляет собой направленное колебание векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H). Что-то подобное может наблюдаться и в сверхсильных полях в вакууме.
Авторы новой работы решили использовать магнитное поле нейтронных звезд для исследования «оптических свойств» окружающего их вакуума. Ученые провели наблюдения поляризованного света нейтронной звезды RX J1856.5-3754 с помощью Очень Большого Телескопа (VLT — Very Large Telescope), расположенного в обсерватории Параналь в Чили. В результате анализа сигнала, собранного от пульсара, ученые обнаружили чрезвычайно высокую степень линейной поляризации света излучения от звезды — порядка 16 процентов. Ученые интерпретировали это как следствие эффекта вакуумного двойного лучепреломления в пространстве, окружающем пульсар RX J1856.5-3754.
Существуют и другие процессы, которые могут привести к поляризации света звезд в ходе его распространения в космосе. Так, ученые тщательно проанализировали возможности других объяснений — например, поляризации при рассеянии на пылевых частицах. Но принимая допущение, что вещество вблизи звезды не состоит из множества одинаково ориентированных частиц, степень поляризации благодаря этому эффекту может достигать лишь нескольких процентов. Тот факт, что плотность вещества вблизи пульсара RX J1856.5-3754 является достаточно низкой (это следует из других наблюдений), говорит в пользу того, что данный эффект не должен оказывать существенного влияния на результат наблюдения.
«Исследование, выполненное на VLT — самое первое наблюдательное подтверждение предсказаний эффектов квантовой электродинамики в крайне сильных магнитных полях», — отмечает один из авторов работы, Сильвия Зейн.
Пульсар RX J1856.5-3754 входит в группу нейтронных звезд, известную под названием Великолепной Семерки. Это изолированные нейтронные звезды, не имеющие звездного компаньона, не излучающие, в отличие от пульсаров, радиоволн и не окруженные веществом, оставшимся после взрыва породивших их сверхновых. Пульсар RX J1856.5-3754 расположен в 400 световых лет от Земли и является самым ярким объектом этой группы.
Екатерина Митрофанова
