Исследователь из Корнельского института Донг Лай изучил необычную поляризацию рентгеновского излучения от магнетара — нейтронной звездой с мощным магнитным полем. Наблюдения, полученные спутником, можно объяснить «фотонной метаморфозой» — эффектом, предсказанным квантовой электродинамикой.
В 2022 году спутник НАСА IXPE наблюдал за магнетаром 4U 0142+61, расположенным на расстоянии около 13 тыс. световых лет от Земли в созвездии Кассиопеи. Магнетар — это плотный и горячий остаток массивной звезды с магнитным полем в 100 трлн раз больше, чем у нашей планеты. Анализ данных показал, что рентгеновские лучи с более низкой и высокой энергией поляризованы по-разному, а электромагнитные поля ориентированы под прямым углом друг к другу.
Это наблюдение противоречит предыдущим концепциям. Исследователи полагали, что магнетар должен генерировать сильно поляризованное рентгеновское излучение. Это означает, что электромагнитное поле излучения не вибрирует случайным образом, а имеет предпочтительное направление.
Чтобы объяснить необычный эффект, астрофизик использовал квантовую электродинамику. Эта теория, описывающая микроскопические взаимодействия между электронами и фотонами, предсказывает, что, когда рентгеновские фотоны покидают тонкую атмосферу горячего намагниченного газа или плазмы нейтронной звезды, они проходят через фазу, называемую вакуумным резонансом.
В этих условиях фотоны, не имеющие собственного заряда, могут временно превращаться в пары «виртуальных» электронов и позитронов, на которые воздействует сверхсильное магнитное поле магнетара даже в вакууме. Этот процесс называется «вакуумным двулучепреломлением». В сочетании с родственным процессом, двойным лучепреломлением плазмы, создаются условия для того, чтобы полярность высокоэнергетического рентгеновского излучения колебалась на 90° по отношению к низкоэнергетическому рентгеновскому излучению.
Исследователь отмечает, что изучение рентгеновских лучей от некоторых из самых экстремальных объектов Вселенной, включая нейтронные звезды и черные дыры, позволяет ученым исследовать поведение материи в условиях, которые невозможно воспроизвести в лаборатории, и способствует пониманию красота и разнообразие Вселенной.
