天文新發現—超光速粒子製造虛空伽馬射線

蕭路

【正見新聞網2019年05月04日】

圖:錢德拉X射綫天文臺觀測的蟹狀星雲脈衝星。Credit: Smithsonian Institution/Chandra X-ray Observatory

天文學家在一顆脈衝星周圍發現明亮的伽馬射線輻射,可能是超光速粒子在真空中製造的切倫科夫輻射導致的。

根據英國斯特拉斯克萊德大學(University of Strathclyde)研究人員的一項新研究,真空中的高能粒子可能與量子真空相互作用產生切倫科夫輻射,並發出明亮的伽馬射線。

當高能粒子的速度超過其所在介質中的光子時,帶電粒子(比如電子和質子)會產生電磁衝擊波。這種效應被稱為切倫科夫輻射,例如核反應堆中水會發出藍光就是由於這個機制導致的。

根據愛因斯坦的相對論,真空中的光速是宇宙中一切物質的極限速度。因此,一般認為切倫科夫輻射不可能在真空中發生。

但是根據量子理論,真空本身充滿了「虛擬粒子」,它們會隨機突然出現又瞬間消失。因此這些虛擬粒子一般是不可能造成任何物理影響。然而,在脈衝星的極強的電磁場作用下,虛擬粒子可以將真空變成帶有介質的量子虛空,並使其中的光速減慢。這樣一來,高速帶電粒子的速度就可能超過量子虛空中的光速,並製造切倫科夫伽馬射線。

斯特拉斯克萊德大學的研究人員發現,量子虛空可以把伽馬射線減速到正好足以產生切倫科夫輻射。這意味著脈衝星等強磁場附近的高能粒子所造成的大部分輻射應該都是切倫科夫輻射,而不是目前大家公認的同步輻射。

項目的負責人,Dino Jaroszynski教授說,「這個新預測出乎意料而且非常令人興奮,因為它很可能可以解釋星系中心的明亮伽馬射線的起源。此外,它也提供了一種全新的方法來測試在極端物理環境下一些最基本的物理理論是否仍然適用。」

論文的第二作者,Adam Noble博士說:「過去我們理所當然的認為沒有任何東西可以從純粹的真空中無中生有。但現代量子物理學否定了這個觀點,並且帶來了一些驚人的新理論。」

論文的第一作者,博士研究生Alexander Macleod說,「量子電動力學的理論預測非常符合實驗結果,是實驗驗證結果最好的物理理論之一。但過去的實驗只能在弱電磁場環境中進行。我們的新研究提出了一種在強電磁場環境中驗證量子電動力學的方法,並且證明它仍然成立。」

如果這項研究能夠得到觀測證實,將徹底改變目前科學家對真空的認識。這項新研究最近發表在《物理評論快報》上,並且被選為編輯推薦文章。
 

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