NASA-Teleskop bestätigt 90 Jahre alte Quantentheorie

Ein internationales Astronomenteam hat den möglicherweise ersten direkten astrophysikalischen Beweis für die Vakuumbirefringenz erbracht, eine fast 90 Jahre alte quantenphysikalische Vorhersage, wonach extreme Magnetfelder die Ausbreitung von Licht durch scheinbar leeren Raum verändern können. Die am Mittwoch in Nature veröffentlichten Ergebnisse stützen sich auf mehr als 140 Stunden Beobachtungszeit eines seltenen, extrem magnetischen Neutronensterns, eines sogenannten Magnetars.nature+1

Ein kosmisches Labor

Der Magnetar 1E 1547-5408, der mehr als 13 000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist und alle zwei Sekunden rotiert, diente dem Team als natürliches Labor. Die Wissenschaftler koordinierten den NASA-Satelliten IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) mit dem NICER-Teleskop der NASA und dem Murriyang-Radioteleskop der CSIRO im ländlichen New South Wales, das von Australiens nationaler Wissenschaftsbehörde betrieben wird. Es war die erste koordinierte Radio- und Röntgenpolarisierungsmessung eines Magnetars überhaupt.lsu+1

Die Beobachtungen zeigten eine Röntgenpolarisierung, die fast dreimal so stark war wie bei ähnlichen Quellen und weit über das hinausging, was Standardmodelle für Oberflächenemissionen erklären könnten. Angesichts der Geometrie der Magnetfelder des Magnetars hätte das Polarisationssignal an bestimmten Punkten der Rotation des Sterns nahe Null liegen müssen.science.nasa

Test einer 90 Jahre alten Theorie

Die Vakuumbirefringenz wurde erstmals 1936 im Rahmen der Quantenelektrodynamik vorgeschlagen. Sie besagt, dass das Quantenvakuum, das mit ständig fluktuierenden Teilchen-Antiteilchen-Paaren gefüllt ist, durch extreme Magnetfelder verzerrt wird, wodurch der leere Raum wie ein Polarisationsfilter wirkt. Magnetar-Felder, die etwa eine Billion Mal stärker sind als die stärksten Permanentmagnete auf der Erde, bieten die einzige bekannte Umgebung, in der sich dieser Effekt manifestieren könnte.lsu+1

Simulationen des Teams stützen die Vakuumbirefringenz als Ursache für das unerwartet starke Signal. "Unser Modell legt nahe, dass die Reproduktion der beobachteten Röntgenpolarisierungssignaturen unter Einhaltung der durch Radiobeobachtungen gesetzten Grenzen das Vorhandensein von Vakuumbirefringenz in der Umgebung des Neutronensterns erfordert", sagte Hoa Dinh Thi, Postdoktorandin an der Rice University und Co-Hauptautorin.science.nasa

"Das Gewebe der Realität"

Die Hauptautorin Rachael Stewart, Doktorandin an der George Washington University, sagte, die Entdeckung zeige, wie Astrophysik grundlegende physikalische Fragen untersuchen könne. "Die Informationen, die wir durch die Beobachtung dieses fernen Sternenkerns gewonnen haben, geben uns auch Hinweise auf die Natur der Realität, wie wir sie kennen, und das finde ich unglaublich", so Stewart.science.nasa

Die Astrophysikerin Michela Negro von der LSU, ein weiteres Mitglied des Teams, beschrieb den Ansatz: "Wir untersuchen nicht mehr nur astronomische Objekte, wir nutzen sie, um die Gesetze der Natur zu testen."lsu

Weitere IXPE-Beobachtungen dieses und anderer Magnetare sind geplant, um das Signal zu bestätigen und möglicherweise weitere exotische Quanteneffekte aufzudecken.science.nasa