Neutronenstern könnte erste Beweise für 80 Jahre alte Quantenvorhersage liefern

Dieses Very Large Telescope-Bild ist eine Farbzusammenstellung des Himmelsfeldes um den einsamen Neutronenstern RX J1856.5-3754 (genau in der Bildmitte) und den dazugehörigen kegelförmigen Nebel. Die Spur eines Asteroiden ist mit Unterbrechungen im Feld zu sehen

Dieses Very Large Telescope-Bild ist eine Farbzusammenstellung des Himmelsfeldes um den Neutronenstern RX J1856.5-3754 (genau in der Bildmitte) und des dazugehörigen kegelförmigen Nebels. Die Spur eines Asteroiden ist im Feld mit intermittierenden blauen, grünen und roten Farben zu sehen (Bildnachweis: Europäische Südsternwarte)



Ein seltsames Quantenphänomen, das vor mehr als 80 Jahren vorhergesagt wurde, könnte endlich in der Natur beobachtet worden sein.



1930 haben Physiker Werner Heisenberg und Hans Heinrich Euler sagten voraus, dass sehr starke Magnetfelder die Polarität von Lichtwellen im Vakuum ändern könnten (wobei sich Polarität auf die Ausrichtung der elektrischen und magnetischen Felder des Lichts bezieht). Dieser Effekt, den sie „Vakuum-Doppelbrechung“ nannten, wird von der klassischen Physik nicht vorhergesagt.

Wissenschaftler des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) sagen, dass sie diesen Effekt möglicherweise im Licht eines Neutronensterns beobachtet haben – einem kosmischen Objekt mit einem sehr starken Magnetfeld. [ Video: Der Neutronenstern-Beweis für die Vakuum-Doppelbrechung ]



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Die Illustration dieses Künstlers zeigt, wie Licht, das von der Oberfläche eines stark magnetischen Neutronensterns (links) kommt, auf seinem Weg zum Beobachter auf der Erde (rechts) durch das Vakuum des Weltraums in der Nähe des Sterns linear polarisiert wird. Dieses Phänomen deutet darauf hin, dass der leere Raum um den Neutronenstern einem Quanteneffekt unterliegt, der als Vakuumdoppelbrechung bekannt ist und erstmals in den 1930er Jahren vorhergesagt, aber nie beobachtet wurde.(Bildnachweis: ESO / L. Calçada)

Neutronensterne sind die dichtesten Objekte im Universum – ein Esslöffel Neutronensternmaterial würde laut NASA etwa 1 Milliarde Tonnen (900 Millionen Tonnen) auf der Erde wiegen. Ein „normaler“ Stern, wie die Sonne, wird durch den feurigen Motor in seinem Kern aufgeblasen. Aber wenn dieser Motor ausgeht, kann das Material, aus dem der Stern besteht, in eine viel kleinere Fläche kollabieren und einen Neutronenstern erzeugen. [ Wie Neutronensterne funktionieren (Infografik) ]



Die neue Forschung nutzte Beobachtungen des Neutronensterns RX J1856.5-3754, der sich laut einer Erklärung der ESO etwa 400 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Obwohl er einer der der Erde am nächsten gelegenen Neutronensterne ist, ist er unglaublich schwach, und sein sichtbares Licht konnte nur mit dem FORS2-Instrument am VLT beobachtet werden, das laut 'an den Grenzen der aktuellen Teleskoptechnologie' liegt die Aussage.

Vakuum-Doppelbrechung 'kann nur in Gegenwart enorm starker Magnetfelder nachgewiesen werden, wie sie um Neutronensterne herum liegen', sagte der Koautor der Studie, Roberto Turolla, ein Wissenschaftler an der Universität Padua in Italien, in der Erklärung.

Dieses Weitfeldbild zeigt den Himmel um den sehr schwachen Neutronenstern RX J1856.5-3754 im südlichen Sternbild Corona Australis. Der Neutronenstern selbst ist zu schwach, um hier zu sehen, liegt aber sehr nahe der Bildmitte.



Dieses Weitfeldbild zeigt den Himmel um den sehr schwachen Neutronenstern RX J1856.5-3754 im südlichen Sternbild Corona Australis. Der Neutronenstern selbst ist zu schwach, um hier zu sehen, liegt aber sehr nahe der Bildmitte.(Bildnachweis: ESO/Digitalized Sky Survey 2; Danksagung: Davide De Martin)

Das mit dem FORS2-Instrument detektierte Licht zeigte einen „signifikanten Grad“ an linearer Polarisation (etwa 16 Prozent), der „wahrscheinlich auf den verstärkenden Effekt der Vakuum-Doppelbrechung zurückzuführen ist, die [im] Bereich des leeren Raums“ um den Neutronenstern auftritt. ESO-Beamte sagten in der Erklärung.

In der klassischen Physik ist ein Vakuum völlig leer, aber in Quantenphysik , es gibt ' virtuelle Partikel “, die ständig im Vakuum des Weltraums auftauchen und verschwinden. Heisenberg und Euler verwendeten eine Theorie namens Quantenelektrodynamik (QED), um zu zeigen, wie die Quanteneigenschaften eines Vakuums Lichtwellen beeinflussen.

'Die hohe lineare Polarisation, die wir mit dem VLT gemessen haben, kann mit unseren Modellen nur dann erklärt werden, wenn die von der QED vorhergesagten Vakuum-Doppelbrechungseffekte berücksichtigt werden', sagte Roberto Mignani, Hauptautor der Studie, Wissenschaftler am Nationalen Institut für Astrophysik in Italien, und der Universität Zielona Gorá in Polen.

'Laut QED verhält sich ein stark magnetisiertes Vakuum wie ein Prisma für die Lichtausbreitung', sagte Mignani. (Ein echtes Prisma beugt das Licht, wodurch es sich auffächert und seine verschiedenen Wellenlängen oder Farben enthüllt. So kann ein Prisma aus Sonnenlicht einen Regenbogen erzeugen.)

Die Autoren fügten hinzu, dass empfindlichere Teleskope der nächsten Generation die Empfindlichkeit haben könnten, um mehr Messungen durchzuführen, die die Theorie der Vakuumdoppelbrechung testen. Sie sagten, zukünftige Beobachtungen sollten auch nach Polarisation in verschiedenen Wellenlängen des Lichts, wie zum Beispiel Röntgenstrahlen, suchen.

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