Erstmals belegt: Neutronenstern verändert Struktur des leeren Raums

5. Dezember 2016, 11:34
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Mit dem VLT gemessene Licht-Polarisation weist erstmals direkt auf Existenz der Vakuumdoppelbrechung hin

Garching – Im Licht eines nahen Neutronensterns haben Astronomen erstmals Hinweise auf einen merkwürdigen Quanteneffekt gefunden, der bereits in den 1930er Jahren vorhergesagt wurde. Die beobachtete Polarisation der Strahlung legt nahe, dass das ultrakompakte, hochmagnetisierte Objekt den leeren Raum selbst verändert hat.

Ein Team unter der Leitung von Roberto Mignani vom INAF in Mailand in Italien und der Universität Zielona Gora in Polen hat mit dem Very Large Telescope (VLT) am Paranal-Observatorium in Chile den Neutronenstern RXJ1856.5-3754 ins Visier genommen. Mit einer Entfernung von 400 Lichtjahren zählt RXJ1856.5-3754 zwar zu den Neutronensternen, die uns am nächsten liegen, dennoch kann er aufgrund seiner geringen Leuchtkraft nur schwer im sichtbaren Licht beobachtet werden. Deshalb mussten die Astronomen die technischen Möglichkeiten des FORS2-Instruments am VLT bis an seine Grenzen ausreizen.

Neutronensterne sind die sehr dichten Überreste der Kerne massereicher Sterne, die am Ende ihres Lebens als Supernovae explodiert sind — massereich bedeutet hierbei, dass der Stern vor der Explosion 10 Mal massereicher als unsere Sonne war. Die verbliebenen Neutronensterne weisen Magnetfelder auf, die milliardenfach stärker sind als das unserer Sonne und die äußere Oberfläche und Umgebung des Sterns durchdringen.

Magnetfelder verändern den Raum selbst

Diese Felder sind stark genug, dass sie sogar die Eigenschaften des leeren Raums um den Stern beeinflussen: Normalerweise wird ein Vakuum als völlig leer angesehen, so dass sich das Licht, das es durchdringt, nicht verändern kann. In der Quantenelektrodynamik (QED), der Quantentheorie, die die Wechselwirkung zwischen Photonen des Lichts und geladenen Teilchen wie Elektronen beschreibt, ist der Raum jedoch voller virtueller Teilchen, die ständig entstehen und wieder verschwinden. Sehr starke magnetische Felder können daher den Raum so verändern, dass er die Polarisation des durch ihn hindurchtretendes Lichts beeinflusst.

"Gemäß der QED verhält sich ein hochmagnetisiertes Vakuum für die Ausbreitung des Lichts wie ein Prisma, ein Effekt, der als Vakuumdoppelbrechung bekannt ist", erklärt Mignani. Unter den vielen Vorhersagen der QED fehlte der Vakuumdoppelbrechung bisher jedoch ein direkter experimenteller Nachweis. Seit seiner Vorhersage in einem Fachartikel von Werner Heisenberg und Hans Heinrich Euler vor 80 Jahren sind bisher alle Versuche gescheitert, den Effekt im Labor nachzuweisen.

Vakuumdoppelbrechende Effekte

Nach Auswertung der VLT-Daten konnten Mignani und sein Team lineare Polarisation nachweisen – in einem signifikanten Ausmaß von rund 16 Prozent. Alles weist darauf hin, dass sie auf den Verstärkungseffektes der Vakuumdoppelbrechung im Bereich des leeren Raums um RXJ1856.5-3754 zurückzuführen ist. "Unsere Modelle können die hohe lineare Polarisation, die wir mit dem VLT gemessen haben, nur schwer erklären, wenn die durch die QED prognostizierten vakuumdoppelbrechenden Effekte nicht berücksichtigt werden", meint Mignani. (red, 5.12.2016)

  • Diese Weitwinkelaufnahme zeigt die Himmelsregion um den sehr lichtschwachen Neutronenstern RXJ1856.5-3754 im Sternbild Südliche Krone. Der Neutronenstern selbst ist zu lichtschwach, um hier erkennbar zu sein, liegt aber sehr nah an der Bildmitte.
    foto: eso/digitized sky survey 2

    Diese Weitwinkelaufnahme zeigt die Himmelsregion um den sehr lichtschwachen Neutronenstern RXJ1856.5-3754 im Sternbild Südliche Krone. Der Neutronenstern selbst ist zu lichtschwach, um hier erkennbar zu sein, liegt aber sehr nah an der Bildmitte.

  • Diese Darstellung zeigt, wie das Licht, das von der Oberfläche eines stark magnetisierten Neutronensterns (links) kommt, auf seinem Weg zum Beobachter auf der Erde (rechts) linear polarisiert wird, sobald es sich dem Vakuumraum nahe des Sterns nähert. Die Polarisation des beobachteten Lichts im extrem starken Magnetfeld legt nahe, dass der leere Raum um den Neutronenstern einem Quanteneffekt unterliegt, der als Vakuumdoppelbrechung bekannt ist.
    illustr.: eso/l. calçada

    Diese Darstellung zeigt, wie das Licht, das von der Oberfläche eines stark magnetisierten Neutronensterns (links) kommt, auf seinem Weg zum Beobachter auf der Erde (rechts) linear polarisiert wird, sobald es sich dem Vakuumraum nahe des Sterns nähert. Die Polarisation des beobachteten Lichts im extrem starken Magnetfeld legt nahe, dass der leere Raum um den Neutronenstern einem Quanteneffekt unterliegt, der als Vakuumdoppelbrechung bekannt ist.

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