Vakum gerçekten boş değil! Bana inanmıyorsanız "Yedi Vahşi" diye sorun
Yazar: Feng Hua, Mühendislik Fiziği Bölümü ve Astrofizik Merkezi
Gözden Geçiren: Zhang Shuangnan, Yüksek Enerji Fiziği Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi
Geçenlerde, bir grup Avrupalı bilim insanı, Royal Astronomical Society Monthly'de ilginç bir makale yayınladı ve "Muhteşem Yedi" lakaplı bir nötron yıldızını gözlemledikten sonra, ilk kez kuantumu keşfettiklerini iddia ettiler. Elektrodinamik tarafından tahmin edilen vakumlu çift kırılma: Güçlü manyetizmanın etkisi altında, vakum çift kırılmalı bir kristal gibi davranacak ve yayılma işlemi sırasında fotonun polarizasyonunun değişmesine neden olacaktır.
Peki bu ne gösteriyor? Nötron yıldızı ile başlayalım.
İlginç nötron yıldızı
Devasa yıldızlar, evrimlerinin son safhalarında nükleer yanma yoluyla devasa bir demir çekirdeği biriktirecekler.Bu demir çekirdeği belirli bir kütleye ulaştıktan sonra, aşırı basınç nedeniyle kaçınılmaz olarak çökecek ve aynı zamanda şiddetli gama ışını patlamaları ve süpernova patlamaları üretecektir. Bazı durumlarda, böyle bir nükleer çöküş bir nötron yıldızı oluşturabilir. 1934 gibi erken bir tarihte, astronomlar Walter Baade ve Fritz Zwicky bu mekanizmanın varlığını tahmin ettiler.
Bir nötron yıldızı, adından da anlaşılacağı gibi, nötron maddesinden oluşan son derece yoğun bir yıldızdır. Ama aslında nötron yıldızlarının iç yapısının ne olduğu ve maddenin aşırı baskı altında ne durumda olduğu hala astrofizik ve nükleer fizikte çözülmemiş bir sorundur ve aynı zamanda bilim adamlarının bugün ve gelecekte çok çalışması yönündedir.
Nötron yıldızlarının yoğunluğu ne kadar yüksek? Astronomik ölçümler bize bir nötron yıldızının kütlesinin Güneş'inkine benzer olduğunu, ancak yarıçapın yalnızca yaklaşık 10 kilometre olduğunu söylüyor. Güneşin yarıçapı yaklaşık 700.000 kilometredir ve güneşin ortalama yoğunluğu (1.4 g / cm ^ 3) suya yakındır. Aynı kütleye sahip iki yıldız için, yoğunlukları yarıçapın üçüncü kuvveti ile ters orantılıdır. Bu nedenle nötron yıldızlarının yoğunluğu
Bir atomun kütlesinin çoğunun çekirdekte yoğunlaştığını, ancak boşluğun çoğunun elektronlar tarafından işgal edildiğini hayal edin. Elektronları çekirdeğe bastırmanın ve onları sıkıca paketlenmiş bir grup nötron haline getirmenin bir yolunu bulabilirseniz, bu ne kadar yoğun olmalı!
Tıpkı diğer astronomik keşifler gibi, nötron yıldızlarının keşfi de bir kazaydı. 1967'de, o zamanlar Cambridge Üniversitesi'nde yüksek lisans öğrencisi olan Jocelyn Bell, yeni bir radyo teleskopu çalıştırmak ve verileri işlemekten sorumluydu. Teleskop, her gün çıplak gözün sinyali analiz edip tanımlamasını gerektiren 30 metrelik kaydedilmiş veri üretir. Bell, iki ay sonra kağıt üzerinde alışılmadık bir periyodik sinyal fark etti. Tekrarlanan gözlemler ve dikkatli araştırmalardan sonra Bell, sonunda sinyalin uzaydan geldiğini doğruladı. Bu pulsar, evrendeki işaret. Bell bir öğrenci ve bir kız olduğu için, bu iki faktör öylesine önemli bir keşfe yol açtı ki, hocası astronomi tarihinde pişmanlık duyan Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.
Pulsar'ın keşfi Jocelyn Bell
Aslında burada bulunan pulsar bir nötron yıldızıdır.
Bu pulsarlar neden nötron yıldızlarıdır? Bazı basit hesaplamalar yapalım. Atarcanın yüzeyindeki merkezkaç kuvveti yerçekimini aşamaz, aksi takdirde pulsar çöker. Bu şekilde, evrensel yerçekiminin basit Newton yasası ve merkezkaç kuvveti formülünü kullanarak, bir pulsarın yoğunluğu () ile periyodu (P) arasındaki ilişki şu şekilde elde edilebilir:
Burada G, yerçekimi sabitidir. Meşhur Yengeç Bulutsusu'ndaki pulsarın periyodu 33 milisaniyedir.Yukarıdaki formüle koyarsanız yoğunluğun alt sınırı 10 ^ 11 g / cm ^ 3'tür, bu beyaz cücelerin yoğunluğundan çok daha büyüktür, bu nedenle yalnızca nötron yıldızları olabilir. Şu anda bilinen en hızlı dönen pulsarın periyodu 1 milisaniyeye yakındır, bu nedenle alt yoğunluk sınırı 10 ^ 13 g / cm ^ 3'e yakındır ve bu önceki tahmin sonuçlarımıza çok yakındır.
Nötron yıldızları yalnızca yoğun değil, aynı zamanda çok güçlü manyetik alanlardır.Bu makalenin başında bahsedilen vakum çift kırılma fenomenine neden olan süper güçlü manyetik alanlarıdır. Güneşi örnek alalım. Güneşi bir nötron yıldızına sıkıştırabilirseniz (doğal olarak, güneşimiz bir nötron yıldızı değil, yalnızca beyaz bir cüce yıldızı olacaktır), manyetik akının korunması, yıldızın yüzeyindeki manyetik alan çizgilerinin yoğun şekilde sıkıştırılacağı anlamına gelir:
Güneşin yüzeyindeki manyetik alan kuvveti yaklaşık 100 Gauss'tur ve yarıçap 70.000 kat değişmiştir, bu durumda bir nötron yıldızının yüzeyindeki manyetik alan kuvvetinin yaklaşık 10 ^ 12 Gauss olduğu çıkarılabilir. Aslında, bilinen birçok nötron yıldızının çok güçlü manyetik alanları vardır ve bazı nötron yıldızlarının 10 ^ 14 Gauss kadar yüksek manyetik alanları vardır. Böylesine güçlü bir manyetik alan tarafından hangi tuhaf fenomen üretilebilir?
Bu, vakum çift kırılma etkisiyle ilgilidir.
Vakumlu çift kırılma
Kuantum mekaniğinin belirsizlik ilkesi, fiziğin vakumunun değişmeden kalmamasını, yani bir süre sürekli dalgalanmalar içinde kalmasını gerektirir.Bu dalgalanmalar sürekli olarak sanal parçacık çiftleri üretir, yani anında bir çift pozitif ve negatif parçacık üretilir. Bu pozitif ve negatif parçacık çifti anında yok oldu ve enerjiyi geri verdi, böylece vakum bir bütün olarak sıfır ortalama enerji durumunu korudu.
Ünlü Hawking radyasyonu, bir kara deliğin yakınında vakum dalgalanmaları meydana geldiğinde meydana gelir. Sanal parçacık çiftlerinden biri karadeliğe girer ve diğeri eşini bulamaz ve yok edemez, bu yüzden sadece kaçabilir. Uzaktan, bir kara delik radyasyon üretiyor gibi görünür. .
Manyetik alan, vakum dalgalanmalarının oluşturduğu sanal parçacık çiftleri (pozitif ve negatif elektron çiftleri gibi) üzerinde önemli bir etkiye sahip olacak kadar güçlüyse, vakumun özelliklerini etkileyerek, vakumun kristaller gibi çift kırılma etkisine sahip olmasını sağlayarak, vakumdaki fotonu etkiler. yaymak.
Bir nötron yıldızının yakınındaki manyetik alan, evrende bilinen en güçlü olduğu için (örneğin, şu andaki yapay olarak en güçlü manyetik alan yalnızca yaklaşık 10 ^ 6 Gauss'dur ve bu, bir nötron yıldızının yüzeyindeki manyetik alandan yaklaşık bir milyon kat daha zayıftır), yani Manyetik alanın neden olduğu vakum çift kırılma etkisi en çok nötron yıldızı yakınında belirgindir. .
Elektromanyetik dalgalar, dönüşümlü olarak ileriye doğru titreşen elektrik ve manyetik alanlardır. Elektromanyetik dalgalardaki elektrik alan titreşiminin yönüne polarizasyon yönü denir.
Çift kırılma etkisi, belirli kristallerin benzersiz bir özelliğidir. Bir foton, alternatif elektrik ve manyetik alanlara sahip elektromanyetik bir dalgadır ve elektrik alanı titreşim yönü, fotonun polarizasyon yönüdür. Çift kırılmalı kristalin belirli bir yönü vardır ve polarizasyon yönü bu belirli yöne paralel ve dik olduğunda kristaldeki fotonun hızı farklıdır.Sonuç olarak, foton kristal içinde yayıldığında fotonun polarizasyon yönü değişecektir.
Çift kırılmalı kristallerin en yaygın uygulaması sıvı kristal ekranlardır. Aşağıda gösterildiği gibi likit kristal ekran iki dikey polarizörden oluşur.Güç uygulanmadığında ortadaki likit kristal çift kırılma etkisi gösterir ve ışığın polarizasyon yönü 90 derece döndürülür ve bu sırada pikseller parlaktır. Güç açıldıktan sonra, kristalin çift kırılma etkisi kaybolur, ışığın polarizasyon yönü değişmez ve bu sırada piksel karanlık olur.
LCD ekranın çalışma prensibi: ışığın polarizasyon yönünü kontrol ederek piksellerin parlaklığını ve koyuluğunu kontrol edin.
Nötron Yıldızı "Yedi Silahşörler"
Bir nötron yıldızı henüz oluştuğunda, yüzey sıcaklığı çok yüksekti ve ardından siyah cisim radyasyonuyla yavaş yavaş soğudu. Almanya'daki Röntgen X-ışını Teleskobu (ROSAT) araştırması sırasında, yüzey sıcaklığı yüzbinlerce derece olan yedi izole nötron yıldızı keşfedildi ve bunlara gökbilimciler tarafından "Yedi Silahşörler" olarak adlandırıldı.
Yedi Silahşörler, yumuşak X-ışını bandında zirveye ulaşan, neredeyse mükemmele yakın (hala biraz kusurlu, burada gösterilmemiştir) bir kara cisim radyasyonu gösterdi. Radyasyon, nötron yıldızının yüzeyindeki ince atmosferden gelir. Yüksek sıcaklığın etkisi altında, atmosferdeki maddeler plazmaya iyonize olurlar.Güçlü bir manyetik alanın varlığından dolayı, plazmadaki elektronlar sadece manyetik kuvvet çizgileri boyunca hareket edebilir, aksi takdirde güçlü Lorentz kuvveti onu geri çeker. Tıpkı aşağıdaki çocuk oyuncakları gibi, boncuklar da yalnızca "manyetik kuvvet çizgileri" boyunca hareket edebilen elektronlar gibidir.
Güçlü bir manyetik alandaki plazma polarize edilmiştir ve elektronlar, tıpkı bu çocuk oyuncağı gibi yalnızca manyetik kuvvet çizgileri boyunca hareket edebilir.
Güçlü manyetik alan, elektronları manyetik alan boyunca düzenlenmiş "şekerli haws ipleri" sıralarına dönüştürür.Fotonların, manyetik alana dik yönde şekerlenmiş kıçları kırması zordur. Sonuç olarak, polarizasyon yönü manyetik alana dik olan fotonlar, elektronlarla etkileşime girmeden plazmadan serbestçe geçebilir (şekerler yenemez), polarizasyon yönü manyetik alanın yönü boyunca olan fotonlar ise her zamanki gibi saçılır (yiyebilir. Şekerlenmiş haws üzerinde).
Sonunda, bu güçlü manyetik alana sahip plazma bir polarizasyon filtresi haline gelir, bu da yayılan fotonları oldukça doğrusal olarak polarize eder ve polarizasyon yönü yerel manyetik alana diktir. Nötron yıldızının yüzeyindeki termal radyasyon atmosferden gelir.Derin radyasyon sıcaklığı yüksek ve radyasyon gücü yüksektir, ancak sadece polarizasyon yönü yerel manyetik alana dik olan fotonlar geçebilir. Bu nedenle, güçlü bir manyetik alanın etkisi altında, nötron yıldızının yüzeyindeki yerel alanlar neredeyse% 100 doğrusal polarizasyon gösterir.
Lokal% 100 doğrusal polarizasyona yakın olmasına rağmen yüzeydeki manyetik alan her yöne dağılır.Eğer nötron yıldızının manyetik alanı sadece yüzeyle sınırlıysa, gözlemci yüzeydeki çeşitli alanlardan gelen radyasyonun üst üste binmesini görecektir. Aynı yoğunluk ve dikey polarizasyon yönüne sahip iki ışının genel polarizasyon derecesi üst üste getirilir, bu nedenle nötron yıldızının yüzeyindeki termal radyasyonun genel polarizasyon derecesi özellikle yüksek değildir.
Neyse ki, bir nötron yıldızının manyetik alanı çift kutuplu bir manyetik alana benzer ve çok uzak vakum bölgelerine uzanabilir. Daha önce bahsedildiği gibi, kristallerin çift kırılma etkisine benzer şekilde, güçlü bir manyetik alan altındaki vakum da fotonların yayılmasını etkileyecek ve yayılma işlemi sırasında fotonların polarizasyonunun dönmesine neden olacaktır. Manyetik alan her döndürüldüğünde, polarizasyon dönecektir Nötron yıldızından uzaklaşana kadar, manyetik alan kuvveti yeterince güçlü değildir. Yukarıdaki etkiler göz ardı edilebilir ve polarizasyon katılaşır ve ileriye doğru yayılır.
Sol: Bir nötron yıldızının çift kutuplu manyetik alanının şematik diyagramı. Orta görüntü: Bir nötron yıldızının yüzeyindeki manyetik alanın dağılımı her yöndedir. Sağda: Nötron yıldızından daha uzaktaki belirli bir görüş hattında, manyetik alan dağılımı nispeten tekdüze.
Bu etki, ilginç bir gözlemsel fenomen yaratacaktır: Gördüğümüz polarizasyon, manyetik alanın nötron yıldızının yüzeyindeki dağılımı ile değil, manyetik alanın nötron yıldızından uzak bir yerde dağılımı ile belirlenir.Uzun bir mesafede, manyetik alanın görüş hattındaki dağılımı çok düzgündür. Kutuplaşma derecesi elbette çok yüksek.
"Yedi Silahşörler" ve vakumda çift kırılmanın doğrulanması
Avrupalı astrofizikçiler nihayet bunu doğrulamak için gözlemleri kullandılar. "Yedi Silahşörler" deki en parlak kaynağın optik polarizasyonunu ölçtüler ve daha yüksek derecede polarizasyon elde ettiler. Teorik hesaplamalar sayesinde, böyle bir vakum çift kırılma etkisi yoksa, beklenen polarizasyon derecesi çok daha düşük olacaktır. Dolayısıyla bu gözlem, güçlü manyetik alanlar altındaki vakum özelliklerinin bazı kristallere benzer olduğuna dair teorik öngörüyü doğruluyor.
Vakum gerçekten boş değil!
X-ışını zamanla değişen ve polarizasyon tespit uydusu (XTP), Çin'de ön araştırma altında olan gelecekteki bir X-ışını teleskopudur.Güçlü X-ışını polarizasyon gözlem kabiliyetine sahip olacak ve kara deliklerin ve nötron yıldızlarının fiziksel mekanizmalarını anlamada çok yardımcı olacaktır.
Aslında, bu kaynakların radyasyon tepe noktaları yumuşak X-ışını bandındadır, bu nedenle yumuşak X-ışını polarimetre daha uygun bir gözlem aracıdır ve ölçüm sonuçları teorik modellere göre daha doğru bir şekilde karşılaştırılabilir.
Bununla birlikte, son derece kısa X-ışını dalga boyu nedeniyle, X-ışını polarizasyon ölçümü son derece zordur. Yıllar süren araştırma ve geliştirmeden sonra, mevcut yeni X-ışını polarizasyon algılama teknolojisi laboratuvarda olgunlaştı ve gelecekte Çin'deki astronomik gözlemlerde uygulanması bekleniyor.
(Editör: Jerrusalem, Steed; Dizgi: Sol_ )
Bu makale Guo kabuk ağından geliyor, yeniden basılmayı reddetti
Gerekirse lütfen sns@guokr.com ile iletişime geçin ve şahsen arkadaş çevrenize iletin.
