Selon la théorie de l’astrophysicien Dong Lai, un effet de l’électrodynamique quantique (QED) appelé « métamorphose des photons » explique les observations inattendues de la polarisation des rayons X provenant d’un magnétar, une étoile à neutrons dotée d’un champ magnétique intense. La théorie de Lai suggère que les photons de rayons X traversant l’atmosphère magnétisée du magnétar peuvent se transformer temporairement en paires d’électrons et de positrons « virtuels », ce qui entraîne des polarisations différentes pour les rayons X de basse et de haute énergie.
Selon un astrophysicien de Cornell, un « bel effet » prédit par l’électrodynamique quantique (QED) pourrait expliquer la perplexité suscitée par les premières observations de rayons X polarisés provenant d’un magnétar, un type d’étoile à neutrons caractérisé par un champ magnétique immensément puissant.
Le vestige extrêmement dense et chaud d’une étoile massive, doté d’un champ magnétique qui surpasse celui de la Terre de 100 billions de fois, devrait produire des rayons X nettement polarisés. Cela signifie que le champ électromagnétique du rayonnement ne vibre pas au hasard, mais qu’il a une direction privilégiée.
Mais les scientifiques ont été surpris lorsque le satellite Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) de la NASA a détecté l’année dernière que les rayons X de basse et de haute énergie étaient polarisés différemment, avec des champs électromagnétiques orientés à angle droit l’un par rapport à l’autre.
Ce phénomène s’explique naturellement par la « métamorphose des photons », une transformation des photons de rayons X qui a été théorisée mais jamais observée directement, a déclaré Dong Lai, docteur en 94, professeur d’astrophysique au collège des arts et des sciences Benson Jay Simon ’59, MBA ’62, et Mary Ellen Simon, M.A. ’63.
« Dans cette observation du rayonnement d’un objet céleste lointain, nous voyons un bel effet qui est une manifestation de la physique complexe et fondamentale », a déclaré M. Lai. « La théorie QED est l’une des théories physiques les plus abouties, mais elle n’avait pas été testée dans des conditions de champ magnétique aussi intense.
Lai est l’auteur d’une étude récente publiée dans Proceedings of the National Academy of Sciences.
La recherche s’appuie sur les calculs que Lai et Wynn Ho, Ph.D. ’03, ont publiés il y a 20 ans, en intégrant les observations rapportées par la NASA en novembre dernier du magnétar 4U 0142+61, situé à 13 000 années-lumière dans la constellation de Cassiopée.
L’électrodynamique quantique, qui décrit les interactions microscopiques entre les électrons et les photons, prédit que lorsque les photons de rayons X sortent de la fine atmosphère de gaz chaud et magnétisé, ou plasma, de l’étoile à neutrons, ils passent par une phase appelée résonance du vide.
Selon Lai, les photons, qui n’ont pas de charge, peuvent alors se convertir temporairement en paires d’électrons et de positrons « virtuels » qui sont influencés par le champ magnétique très puissant du magnétar, même dans le vide, un processus appelé « biréfringence du vide ». Combiné à un processus connexe, la biréfringence du plasma, les conditions sont créées pour que la polarité des rayons X à haute énergie bascule de 90 degrés par rapport aux rayons X à basse énergie, selon l’analyse de Lai.
« On peut considérer la polarisation comme deux saveurs de photons », a-t-il déclaré. « Un photon qui passe soudainement d’une saveur à l’autre – on ne voit généralement pas ce genre de chose. Mais c’est une conséquence naturelle de la physique si l’on applique la théorie dans ces conditions extrêmes.
La mission IXPE n’a pas observé ce changement de polarisation dans les observations d’un autre magnétar, appelé 1RXS J170849.0-400910, dont le champ magnétique est encore plus intense. Lai a déclaré que cela était cohérent avec ses calculs, qui suggèrent que la résonance du vide et la métamorphose des photons se produiraient très profondément à l’intérieur d’une telle étoile à neutrons.
Lai a déclaré que son interprétation des observations de l’IXPE sur le magnétar 4U 0142+61 a permis de contraindre son champ magnétique et sa rotation, et a suggéré que son atmosphère était probablement composée d’éléments lourds partiellement ionisés.
L’étude continue des rayons X émis par certains des objets les plus extrêmes de l’univers, notamment les étoiles à neutrons et les trous noirs, permet aux scientifiques d’étudier le comportement de la matière dans des conditions qui ne peuvent être reproduites en laboratoire, et de mieux comprendre la beauté et la diversité de l’univers.
« Les observations de l’IXPE ont ouvert une nouvelle fenêtre pour l’étude de l’environnement de surface des étoiles à neutrons », a déclaré Lai. « Cela nous permettra de mieux comprendre ces objets énigmatiques.
Référence : « IXPE detection of polarized X-rays from magnetars and photon mode conversion at QED vacuum resonance » par Dong Lai, 18 avril 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2216534120