자기 X선의 수수께끼 현상 검출

양자전기역학(QED)에 의해 예측된 ‘아름다운 효과’는 마그네타에서 방출되는 편광 X선의 당혹스러운 초기 목격에 대한 설명을 제공할 수 있습니다. 중성자 별 Cornell 천체 물리학자에 따르면 매우 강한 자기장이 특징입니다.

지구보다 100조 배 더 큰 자기장을 갖춘 무거운 별의 극도로 밀도가 높고 뜨거운 잔해는 가시적으로 편광된 X선을 생성할 것으로 예상되었습니다. 이것은 방사선의 전자기장이 무작위로 진동하지 않고 선호하는 방향을 가지고 있음을 의미합니다.

그러나 과학자들은 놀랐다. NASAIXPE(Imaging X-ray Polarimetry Explorer) 위성은 작년에 저에너지 및 고에너지 X선이 전자기장이 서로 직각으로 향하도록 다르게 편광된다는 사실을 발견했습니다.

이러한 현상은 “의 결과로 자연스럽게 설명될 수 있다.광자 이론화되었지만 직접 관찰되지는 않은 X선 광자의 이동”이라고 Dong Lai 박사(94), Benson Jay Simon(’59, MBA ’62), Mary Ellen Simon(MA ’63) 예술 및 과학 대학 천체물리학 교수가 말했습니다.

“멀리 떨어진 천체로부터의 복사에 대한 이 관찰에서 우리는 복잡한 기본 물리학의 표현인 아름다운 효과를 봅니다.”라고 Lai는 말했습니다. “QED는 물리학에서 가장 성공적인 이론 중 하나이지만 그렇게 강한 자기장 조건에서 테스트된 적이 없습니다.”

Lai는 최근에 발표된 연구의 저자입니다. 국립 과학 아카데미 회보.

이 연구는 Lai와 Wynn Ho, Ph.D.의 설명을 기반으로 합니다. ’03, 20년 전에 게시됨NASA 관측 통합 작년 11월 신고했습니다 Magneto 4U 0142+61은 카시오페이아자리 방향으로 13,000광년 떨어져 있습니다.

전자와 광자 사이의 미세한 상호 작용을 설명하는 양자 전기역학은 X선 광자가 중성자별의 뜨겁고 자화된 가스로 된 얇은 대기를 빠져나간다고 예측합니다. 혈장그들은 진공 공명이라는 단계를 거칩니다.

그곳에서 전하가 없는 광자는 진공 상태에서도 마그네타의 초강력 자기장에 의해 영향을 받는 “가상” 전자와 양전자 쌍으로 일시적으로 변환될 수 있으며, 이를 “진공 굴절”이라고 합니다. Lay의 분석에 따르면 관련 프로세스인 플라즈마 굴절과 결합하여 고에너지 X선의 극성이 저에너지 X선에 대해 90도 진동하는 조건이 생성됩니다.

“양극화는 광자의 두 가지 맛을 갖는 것으로 생각할 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “광자는 갑자기 한 가지 맛에서 다른 맛으로 전환합니다. 일반적으로 그런 종류의 것을 볼 수 없습니다. 하지만 이러한 극한 조건에서 이론을 적용하면 물리학의 자연스러운 결과입니다.”

IXPE 임무는 더 강한 자기장을 가진 1RXS J170849.0-400910이라고 하는 다른 마그네타의 관측에서 편광 스윙을 목격하지 못했습니다. Lai는 이것이 진공 공명과 광자 변환이 그러한 중성자별 깊은 곳에서 일어날 것이라는 것을 나타내는 그의 계산과 일치한다고 말했습니다.

Lai는 자석 4U 0142+61에 대한 IXPE의 관찰에 대한 그의 해석이 자기장과 회전을 제한하는 데 도움이 되었으며 대기가 부분적으로 이온화된 무거운 원소로 구성되었을 가능성이 있다고 말했습니다.

그는 중성자별과 블랙홀을 포함하여 우주에서 가장 극한의 물체에서 나오는 X선에 대한 지속적인 연구를 통해 과학자들은 실험실에서 복제할 수 없는 조건에서 물질의 거동을 조사할 수 있으며 우주의 아름다움과 다양성에 대한 이해를 높일 수 있다고 말했습니다.

“IXPE 관측은 중성자 별의 표면 환경을 연구하는 새로운 창을 열었습니다.”라고 Lai는 말했습니다. “이것은 이 신비한 물체에 대한 새로운 통찰력으로 이어질 것입니다.”

참조: Dong Lai, 2023년 4월 18일, “진공 공명 QED에서의 광자 모드 변환 및 마그네타에서 편광 X선의 IXPE 감지”, 여기에서 확인 가능. 국립 과학 아카데미 회보.
DOI: 10.1073/pnas.2216534120