中子星的X射线揭示了光子

根据康奈尔大学天体物理学家的说法，量子电动力学(QED)预测的“美丽效应”可以解释磁星发射的偏振X射线的令人费解的首次观测 - 具有强大磁场的中子星。

一颗大质量恒星的极其密集和炽热的残余物，拥有比地球强100万亿倍的磁场，预计将产生高度偏振的X射线，这意味着辐射的电磁场不会随机振动，而是具有首选方向。

但是，当美国宇航局的成像X射线偏振探测器(IXPE)卫星去年检测到低能量和高能量X射线的偏振方式不同时，科学家们感到惊讶，电磁场彼此成直角。

这种现象可以自然地解释为“光子”的结果 - X射线光子的转变已被理论化但从未直接观察到，Dong Lai博士说'94，Benson Jay Simon'59，MBA '62和Mary Ellen Simon，MA'63，艺术与科学学院天体物理学教授。

“在对来自遥远天体的辐射的观察中，我们看到了一种美丽的效果，这是复杂的基础物理学的表现，”赖说。“QED是最成功的物理理论之一，但它还没有在如此强的磁场条件下进行测试。

Lai是“IXPE检测来自磁星的偏振X射线和QED真空共振的光子模式转换”的作者，发表在《美国国家科学院院刊》上。

这项研究建立在03年前发表的Lai和Wynn Ho博士'20的计算基础上，结合了NASA去年4月报告的磁星0142U 61 + 13的观测结果，该磁星位于仙后座000，<>光年之外。

量子电动力学描述了电子和光子之间的微观相互作用，它预测当X射线光子离开中子星的稀薄的热，磁化气体或等离子体大气时，它们会通过一个称为真空共振的阶段。

Lai说，在那里，没有电荷的光子可以暂时转换为成对的“虚拟”电子和正电子，即使在真空中也会受到磁星超强磁场的影响，这一过程称为“真空双折射”。根据Lai的分析，结合相关过程等离子体双折射，为高能X射线的极性相对于低能X射线摆动90度创造了条件。

“你可以把偏振想象成两种光子，”他说。“一个光子突然从一种味道转化为另一种味道——你通常不会看到这种东西。但如果你在这些极端条件下应用理论，这是物理学的自然结果。

IXPE任务在观测到另一颗磁星1RXS J170849.0-400910时没有看到偏振摆动，该磁星具有更强的磁场。Lai说这与他的计算一致，这表明真空共振和光子会发生在这样一个中子星的深处。

Lai说，他对IXPE对磁星4U 0142 + 61的观测的解释有助于限制其磁场和旋转，并表明其大气层可能由部分电离的重元素组成。

他说，对宇宙中一些最极端物体(包括中子星和黑洞)的X射线的持续研究使科学家能够在实验室无法复制的条件下探测物质的行为，并增加了对宇宙美丽和多样性的理解。

“IXPE的观测为研究中子星的表面环境打开了一扇新的窗口，”赖说。“这将导致对这些神秘物体的新见解。