Fény semmiből

A részecskék és a kvantum-vákuum kölcsönhatása magyarázza a rejtélyes gamma-sugárzást

Még a világűrben is, a fény is lelassulhat - riasztó sugárzást bocsáthat ki, ahogy a fizikusok most állítják. © NASA / JPL-Caltech / Ikrek / CARMA
felolvasta

"Lehetetlen" hatás: semmi sem lehet gyorsabb a vákuumban, mint a fény - valójában. A kvantumelmélet egy sajátossága ezt lehetővé teheti, amint azt a fizikusok meghatározták. Ez még a világűr vákuumában Cherenkov sugárzást eredményezhet - egy fotonok hullámát, amelyet a gyors részecskék túllépnek. Ez a vákuumfény megmagyarázhatja, hogy honnan jön a Tejút és más galaxisok szívében a gamma-sugárzás rejtélyes feleslege.

Az univerzum vákuumát az üresség megtestesülésének tekintik - kvázi mint a kozmosz alapállapotát. Ezért semmi sem mozoghat gyorsabban vákuumban, mint a fény, ahogy Einstein felismerte. De ha hinni tud a kvantumelméletben, akkor a vákuum nem üres. Végül is a kvantumingadozások virtuális részecskék képződéséhez vezetnek a vákuumban. Ezek a részecske- és részecskepárok csak akkor lépnek fel, hogy később egy másodpercnyi törlést töröljenek.

Cherenkov fény egy atomreaktorban. © Pieck Dario / CC-by-sa 3.0

A fény "felső hang kúpja"

Pontosan innen indul Alexander Macleod és kollégái a Glasgow-i Strathclyde Egyetemen. Számításaik szerint a vákuum kvantumingadozásainak szintén mérhető hatása van - az úgynevezett Cherenkov-fény. Ez a nagy energiájú sugárzás általában akkor fordul elő, amikor egy közeg lelassítja a fényt, és lehetővé teszi, hogy a töltött részecskék gyorsabban repüljenek, mint a fény.

Ezt a fényhatást meg lehet figyelni például az atomerőművek vízzel töltött reaktor edényében: az elektronok olyan gyorsan rohannak át a vízen, hogy az izgatott atomok által kibocsátott fény ne maradjon le. Egy bizonyos típusú hullámhullámot alkot, amely szuperszonikus fénykúp kvázi. A sugárzás ezen formája még a kozmikus részecskéknek a föld légkörébe vagy az érzékelők tartályába történő belépésekor is felszabadul.

Mágneses terek, mint könnyű fék

Ugyanakkor az a döntő tényező, hogy a Chernkov-sugárzás csak olyan közegekben generálható, amelyek lelassítják a fényt - és amint azt általában vélik, a vákuum esetében nem ez a helyzet. De amint Macleod és csapata egy fizikai modell segítségével bizonyítja, vannak kivételek. Mert ha a kvantumingadozás virtuális részecskéit erős mágneses mezőnek teszik ki, akkor ezek is lelassíthatják a fényt. kijelző

"Ez azt sugallja, hogy az űrben lévő nagy energiájú részecskék kibocsáthatják a Cherenkov sugárzást, amikor erős elektromágneses tereken haladnak át" - magyarázza a kutatók. Számításukban meghatározták, milyen gyorsnak kell lennie a protonnak, és milyen erősségekkel kell repülnie, hogy vákuumban Cherenkov fényét gamma-sugárzás formájában bocsássák ki.

Megfigyelhető a pulzátorok környezetében

Eredmény: Az úgynevezett milliszekundumos pulzátorok környezetében - gyorsan forgó, erős mágneses teretű neutroncsillagokkal - meg kell adni a "semmiből származó fény" feltételeit. "A legnagyobb energiájú kozmikus sugárzás protonjai esetében a nagy energiájú sugárzást teljes mértékben a Tscherenkow-folyamat uralja" - magyarázza a fizikus. Valójában a csillagászok már fedeztek fel néhány ezredmásodperces impulzust, amelyet csak gamma-sugárzás árul el - ezek közül néhány Cherenkov fényből állhat.

"Az asztrofizika tehát olyan környezetet biztosít nekünk, amelyben megfigyelhető a vákuum Cherenkov hatás" - mondja Macleod és csapata. "Mivel nagyon nagy energiájú kozmikus sugarak és erős mágneses mezők vannak jelen." A gamma-sugarak célzott kutatása, amelyet ez a folyamat generált, igazolhatja elméletüket. Ezt a fényt még nagyon erős lézerek segítségével is elő lehet állítani a vákuumból - de a műszaki lehetőségek eddig nem elégségesek, ahogy a kutatók felfedezték.

Magyarázat a titokzatos Gammagl hen-hez?

Izgalmas dolog az, hogy a Vacuum-Cherenkov hatás nem csak azt magyarázza, hogy a nagy energiájú sugárzás hogyan szabadulhat fel a vákuum látszólagos üregéből. Ez magyarázatot adhat arra is, hogy honnan származott a zümmögő gammasugár sok galaxis szívében és a Tejút galaxisában. Mostanáig a csillagászok nem tudtak egyértelmű magyarázatot megvitatni a gamma-sugárzás feleslegének - mind a pulzárok, mind a sötét anyag - megvilágítására.

"Elméleti előrejelzésünk nagyon izgalmas, mivel válaszokat adhat alapvető kérdésekre - ideértve a gamma-sugárzás eredetét a galaxisok szívében" - mondja Macleod kollégája, Dino Jaroszynski. "Ugyanakkor új módszert kínál az alapvető elméletek továbbadására és tesztelésére." (Physical Review Letters, 2019; doi: 10.1103 / PhysRevLett.122.161601)

Forrás: Strathclyde Egyetem

- Nadja Podbregar