2017. 2. 20. 22:32ㆍ3. 천문뉴스/유럽남부천문대(ESO)
사진1> 이 상상화는 강력하게 자화된 중성자별의 표면에서 빛이 나올 때(왼쪽), 그리고 그 빛이 진공의 우주공간을 통과하여 우리에게 올 때 어떻게 선형편광현상을 만들어내게 되는지를 묘사하고 있다.(오른쪽)
극단적으로 강력한 자기장을 통과하는 빛에서 관측되는 편광현상은 중성자 별 주위의 텅빈 우주공간에서 진공복굴절(Vacuum Birefringence)이라는 양자효과를 겪게 되는 것으로 알려져 있다.
이러한 예견은 양자전자기역학(Quantum Electrodynamics, QED)에서 수립된 것이다.
이 효과는 1930년대에 예견되기는 했지만 아직까지 관측된 적은 없다.
빛줄기에 나타나는 자기장과 전자장 방향이 붉은색과 파란색 선으로 표시되어 있다.
이탈리아 파도바 대학의 로베르토 타베르나(Roberto Taverna)와 영국 UCL/MSSL의 곤잘레즈 카니유레프(Gonzalez Caniulef)가 실행한 시뮬레이션은 자기장과 전자장이 중성자별 주위 지역을 통과할 때 어떠한 정렬양상을 띠는지 알려주고 있다.
자기장과 전자장이 정렬을 하게 되면 빛이 편광되고 이러한 편광 양상이 지구의 고감도 장비에 의해 감지되는 것이다.
천문학자들이 ESO 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)을 이용하여 비정상적으로 고밀도 상태를 유지하면서 강력하게 자기화 되어 있는 중성자별의 복사를 관측함으로써 1930년대에 처음 예견된 독특한 양자현상을 말해주는 첫번째 관측 증거를 발견했다.
이번에 관측된 복사선의 편광양상은 중성자별 주위를 감싸고 있는 텅빈 공간이 진공복굴절로 알려진 양자효과를 겪고 있음을 보여주고 있다.
이탈리아 국립천체물리연구소와 폴란드 지엘로나구라 대학의 로베르또 미냐니(Roberto Mignani)가 이끄는 연구팀은 ESO 파라날 천문대의 VLT를 이용하여 약 400 광년 거리에 있는 중성자별 RX J1856.5-3754를 관측했다.[1]
이 별은 중성자별로서는 가장 가까운 거리에 위치하고 있음에도 불구하고, 극단적으로 희미하기 때문에 현재 망원경 기술로는 거의 한계치에 도달해 있는 VLT의 FORS2 장비를 이용해서만 관측이 가능한 별이다.
중성자 별은 태양대비 최소 10배 이상의 질량을 가진 별로서 초고밀도의 핵을 가지고 있는 별이다.
이러한 유형의 별은 별의 생애주기의 가장 마지막 단계인 초신성 폭발로 남겨지게 된다.
중성자별은 또한 자신의 외곽 표면과 주위에 태양 대비 수십억 배나 더 강력한 극단적인 자기장도 가지고 있다.
이러한 자기장은 너무나 강력해서 주위를 감싸고 있는 텅빈 우주공간의 속성에도 영향을 미치게 된다.
일반적으로 진공상태란 완전히 빈 공간으로 생각되고 있으며 빛은 이러한 공간을 아무런 변화없이 통과하게 된다.
그러나 전자와 같은 대전 입자들과 양성자간의 상호작용을 논하는 양자전기역학의 양자이론에 따르면 우주공간은 순간적으로 나타났다가 사라지기를 반복하는 가상의 입자들로 가득차 있다고 한다.
매우 강력한 자기장은 이러한 공간에 영향을 미치게 되어 우주공간을 통과하는 빛에 편광현상을 만들어내게 된다.
미냐니는 양자전기역학에 따르면 강력하게 자기화된 진공상태는 마치 프리즘처럼 작용하여 진공복굴절로 알려진 효과를 만들어낸다고 말했다.
그러나 양자전기역학에서 얘기하는 수많은 예측치 중에는, 진공복굴절이 직접적인 실험으로 시연되기에는 너무나 희박하다고 예측하는 경우도 있다.
불확실성의 원리로 유명한 베르너 하이젠베르그(Werner Heisenberg)와 한스 하인리히 율러(Hans Heinrich Euler)가 논문을 통해 그 존재를 예측한 이래 80년 동안 실험실에서 진공복굴절을 감지해보려는 시도는 일체 성공하지 못했다.
이탈리아 파두아 대학, 로베르토 투롤라(Roberto Turolla)의 설명은 다음과 같다.
"이러한 효과는 중성자별 주위처럼 거대하고 강력한 자기장이 있어야만 감지가 가능합니다.
이번 관측은 중성자별이야말로 자연의 근본적인 법칙을 연구하는데 있어 이상적인 실험실이 되어준다는 것을 다시한번 보여준 사례라 할 수 있습니다."
미냐니와 연구팀은 VLT데이터에 대한 면밀한 분석 끝에 대략 16% 수준의 현저한 각도를 보이는 선형편광양상을 감지할 수 있었다.
이들은 이러한 편광 현상이 RX J1856.5-3754 주위의 텅빈 우주공간에서 발생하는 진공복굴절 효과로 인해 증폭된 것으로 생각하고 있다.[2]
이탈리아 국립천체물리연구소 빈센초 테스타(Vincenzo Testa)의 설명은 다음과 같다.
"이 별은 지금까지 편광양상이 측정된 천체로는 가장 희미한 천체입니다.
이러한 천체를 보기 위해서는 가장 거대하고 가장 효과적인 관측 장비들이 필요하죠.
또한 이처럼 희미한 별로부터 발생한 신호를 강화하는데는 정밀한 데이터 분석이 필요합니다."
미냐니는 VLT를 이용하여 측정한 이 높은 선형의 편광현상은 양자전기역학에서 말하는 진공복굴절의 효과예측치가 없이는 설명하기가 쉽지 않다고 말했다.
한편 실비아 제인(Silvia Zane)은 이번 연구가 극단적으로 강력한 자기장에서 발생하는 양자전기역학 효과에 대한 예측을 관측으로 지지하는 최초의 연구라고 말했다.
미냐니는 좀더 발전된 관측기구를 이용하여 이 지역에 대한 연구가 좀더 확실히 진행될 수 있을 거라는 사실에 고무된 상태이다.
"ESO의 EELT와 같은 차세대 망원경들을 이용한 편광 측정치는 수많은 중성자별 주위에서 진공복굴절의 영향에 대한 양자전기역학의 예측지를 검증하는데 핵심적인 역할을 수행할 수 있을 것입니다."
우킨와(Kinwah Wu)의 설명은 다음과 같다.
"이번에 가시광선을 통해 처음으로 관측해낸 측정치는 유사한 측정치를 X선을 이용하여 수행하는데 있어서도 새로운 방향을 제시한 것이라 할 수 있습니다."
사진 2> 이 사진은 남쪽왕관자리에 위치한 대단히 희미한 중성자별인 RX J1856.5-3754 와 그 주변의 하늘을 광대역으로 담아낸 것이다.
사진에는 변광성인 남쪽왕관자리 R별(상단 왼쪽) 주변의 어둡고 밝은 성운기가 있는 흥미로운 지역도 담겨 있으며 구상성단 NGC 6732도 담겨있다.
중성자별 RX J1856.5-3754 는 너무나 희미해서 이 사진에서조차 보이지 않지만 사진 한복판 가까운 지점에 위치하고 있다.
사진 3> 이 사진은 외따로 떨어져있는 중성자별 RX J1856.5-3754 및 이와 연관관계가 있는 고깔모양의 성운과 그 주변의 하늘을 촬영하여 합성한 것이다.
기본이 되는 사진들은 VLT 퀘옌(VLT KUEYEN) 망원경에 장착된 다중 FORS2 장비와 3개의 광학 필터를 이용하여 촬영한 사진들이다.
파란색, 초록색, 빨간색이 어우러진 단속적인 선은 소행성의 궤적이다.
사진 정 중앙에 RX J1856.5-3754가 자리잡고 있다.
각주
[1] 이 천체는 위대한 일곱별(the Magnificent Seven)로 알려져 있는 일련의 중성자별 중 하나이다.
위대한 일곱별은 모두 다른 별들과 외따로 떨어져 있는 중성자별이다.
이들은 다른 별들과 일체의 동반관계를 구성하지도 않고 펄서처럼 라디오파를 복사하지도 않으며 일체의 원시초신성잔해도 두르고 있지 않다.
[2] 이러한 편광 현상은 별빛이 우주공간을 지나오면서 다른 과정을 거쳤기 때문일 수도 있다.
예를 들어 우주공간에 뿌려진 먼지 알갱이 역시 이러한 편광 현상을 만들어낼 수 있는데 연구팀은 이러한 여러 가능성들을 주의깊게 검토하였으나 다른 원인들은 이번에 관측된 편광양상을 만들어내지는 않는 것으로 분석되고 있다.
출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release 2016년 11월 30일자
http://www.eso.org/public/news/eso1641/
참고 : RX J1856.5-3754를 비롯한 각종 별에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
https://big-crunch.tistory.com/12346972
원문>
eso1641 — Science Release
First Signs of Weird Quantum Property of Empty Space?
VLT observations of neutron star may confirm 80-year-old prediction about the vacuum
30 November 2016
By studying the light emitted from an extraordinarily dense and strongly magnetised neutron star using ESO’s Very Large Telescope, astronomers may have found the first observational indications of a strange quantum effect, first predicted in the 1930s. The polarisation of the observed light suggests that the empty space around the neutron star is subject to a quantum effect known as vacuum birefringence.
A team led by Roberto Mignani from INAF Milan (Italy) and from the University of Zielona Gora (Poland), used ESO’s Very Large Telescope (VLT) at the Paranal Observatory in Chile to observe the neutron star RX J1856.5-3754, about 400 light-years from Earth [1].
Despite being amongst the closest neutron stars, its extreme dimness meant the astronomers could only observe the star with visible light using the FORS2 instrument on the VLT, at the limits of current telescope technology.
Neutron stars are the very dense remnant cores of massive stars — at least 10 times more massive than our Sun — that have exploded as supernovae at the ends of their lives. They also have extreme magnetic fields, billions of times stronger than that of the Sun, that permeate their outer surface and surroundings.
These fields are so strong that they even affect the properties of the empty space around the star. Normally a vacuum is thought of as completely empty, and light can travel through it without being changed. But in quantum electrodynamics (QED), the quantum theory describing the interaction between photons and charged particles such as electrons, space is full of virtual particles that appear and vanish all the time. Very strong magnetic fields can modify this space so that it affects the polarisation of light passing through it.
Mignani explains: “According to QED, a highly magnetised vacuum behaves as a prism for the propagation of light, an effect known as vacuum birefringence.”
Among the many predictions of QED, however, vacuum birefringence so far lacked a direct experimental demonstration. Attempts to detect it in the laboratory have not yet succeeded in the 80 years since it was predicted in a paper by Werner Heisenberg (of uncertainty principle fame) and Hans Heinrich Euler.
"This effect can be detected only in the presence of enormously strong magnetic fields, such as those around neutron stars. This shows, once more, that neutron stars are invaluable laboratories in which to study the fundamental laws of nature." says Roberto Turolla (University of Padua, Italy).
After careful analysis of the VLT data, Mignani and his team detected linear polarisation — at a significant degree of around 16% — that they say is likely due to the boosting effect of vacuum birefringence occurring in the area of empty space surrounding RX J1856.5-3754 [2].
Vincenzo Testa (INAF, Rome, Italy) comments: "This is the faintest object for which polarisation has ever been measured. It required one of the largest and most efficient telescopes in the world, the VLT, and accurate data analysis techniques to enhance the signal from such a faint star."
"The high linear polarisation that we measured with the VLT can’t be easily explained by our models unless the vacuum birefringence effects predicted by QED are included," adds Mignani.
"This VLT study is the very first observational support for predictions of these kinds of QED effects arising in extremely strong magnetic fields," remarks Silvia Zane (UCL/MSSL, UK).
Mignani is excited about further improvements to this area of study that could come about with more advanced telescopes: “Polarisation measurements with the next generation of telescopes, such as ESO’s European Extremely Large Telescope, could play a crucial role in testing QED predictions of vacuum birefringence effects around many more neutron stars.”
"This measurement, made for the first time now in visible light, also paves the way to similar measurements to be carried out at X-ray wavelengths," adds Kinwah Wu (UCL/MSSL, UK).
Notes
[1] This object is part of the group of neutron stars known as the Magnificent Seven. They are known as isolated neutron stars (INS), which have no stellar companions, do not emit radio waves (like pulsars), and are not surrounded by progenitor supernova material.
[2] There are other processes that can polarise starlight as it travels through space. The team carefully reviewed other possibilities — for example polarisation created by scattering off dust grains — but consider it unlikely that they produced the polarisation signal observed.
More information
This research was presented in the paper entitled “Evidence for vacuum birefringence from the first optical polarimetry measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754”, by R. Mignani et al., to appear in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
The team is composed of R.P. Mignani (INAF - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano, Milano, Italy; Janusz Gil Institute of Astronomy, University of Zielona Góra, Zielona Góra, Poland), V. Testa (INAF - Osservatorio Astronomico di Roma, Monteporzio, Italy), D. González Caniulef (Mullard Space Science Laboratory, University College London, UK), R. Taverna (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Padova, Padova, Italy), R. Turolla (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Padova, Padova, Italy; Mullard Space Science Laboratory, University College London, UK), S. Zane (Mullard Space Science Laboratory, University College London, UK) and K. Wu (Mullard Space Science Laboratory, University College London, UK).
ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 16 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is a major partner in ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre European Extremely Large Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.
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Roberto Mignani
INAF - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano
Milan, Italy
Tel: +39 02 23699 347
Cell: +39 328 9685465
Email: mignani@iasf-milano.inaf.it
Vincenzo Testa
INAF - Osservatorio Astronomico di Roma
Monteporzio Catone, Italy
Tel: +39 06 9428 6482
Email: vincenzo.testa@inaf.it
Roberto Turolla
University of Padova
Padova, Italy
Tel: +39-049-8277139
Email: turolla@pd.infn.it
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