天文學家第一次在太空中看見奇怪的量子失真

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有史以來第一次,一組科學家利用歐洲南方天文台(European Southern Observatory,ESO)的超大型望遠鏡(Very Large Telescope,VLT),觀察到真空雙折射(vacuum birefringence)。

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這團隊以單純的可見光,觀察到距離地球約4百光年的中子星RX J1856.5-375,把現有的望遠鏡技術推向極限。

比較沒那麼奇怪

真空雙折射是一種怪異的量子現象,只有在原子規模上曾經被觀察到。它發生在一顆中子星被一個相當強烈的磁場包圍的時候,導致物質在一塊空洞的太空區域隨機出現和消失。

由於強烈磁場的關係,這種在真空中光的極化,首次在1930年代被物理學家Werner Heisenberg和Hans Heinrich Euler認為可能是量子電動力學(quantum electrodynamics,QED)理論的產物,這個理論描述光和物質如何相互作用。

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現在,有史以來第一次,這種奇怪的量子效應被來自義大利國家天文物理研究所(INAF)米蘭佈雷拉天文台和波蘭綠山大學(University of Zielona Gora)的科學家團隊觀察到。

使用歐洲南方天文台(European Southern Observatory,ESO)的超大型望遠鏡(Very Large Telescope,VLT),由Roberto Mignani領導的研究小組,觀察距離地球約4百光年的中子星RX J1856.5-375。

中子星相當暗淡,但比太陽重10倍。因此,在表面和周圍瀰漫著極端強烈的磁場。

真空據說是空洞的太空(至少是根據愛因斯坦和牛頓),光線可以通過而不受抑制,或是不會改變。但根據量子電動力學,太空充滿著虛擬粒子,不斷地湧現和消失。像那些圍繞中子星非常強烈的磁場,可以改變像真空這樣的太空。

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使用在超大型望遠鏡上的縮焦器低色散分光儀2號(FORS2)儀器,這些研究人員能夠以只是可見光來觀察中子星,把現有的望遠鏡技術推向極限。

更好的望遠鏡

研究超大型望遠鏡在這顆恆星上的數據,這些研究人員看見線性極化發生在大約16%的明顯程度,這很可能是由於RX J1856.5-375周圍區域的真空雙折射所造成的。

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Mignani說:「我們用超大型望遠鏡測量到的高線性[極化],無法很容易地被我們的模型解釋,除非包含了由量子電動力學所預測的真空雙折射效應。」

有鑑於使用的技術有限,Mignani認為,藉由研究其他的中子星,未來的望遠鏡能夠發現更多有關類似的奇怪量子效應。他說:「以下一代望遠鏡來測量[極化],例如歐洲南方天文台的歐洲極大型望遠鏡(European Extremely Large Telescope,EELT),在測試對更多圍繞中子星的真空雙折射效應的量子電動力學預測上,扮演關鍵的角色。」

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研究員Kinwah Wu說:「這種測量,現在首次在可見光下進行,也為在X射線波長下進行的類似測量鋪路。」

這項研究由歐洲南方天文台發表。

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來源:Futurism