Astronomen haben möglicherweise die stärksten Beweise für eine der seltsamsten Vorhersagen der Quantenmechanik gefunden: Selbst scheinbar leerer Raum kann die Art und Weise beeinflussen, wie Licht sich fortbewegt. Bekannt als 'Vakuum-Doppelbrechung', wurde das Phänomen vor fast 90 Jahren von Werner Heisenberg, einem der Pioniere der Quantenmechanik, vorhergesagt. Seine Arbeit deutete darauf hin, dass ein perfektes Vakuum nicht wirklich leer ist. Stattdessen sollte es 'virtuelle Teilchen' enthalten, die kurz erscheinen und verschwinden.
Forscher, darunter Dr. Marcus Lower von der Swinburne University of Technology, untersuchten dieses seit langem bestehende Quantenmysterium, indem sie einen Magnetar studierten, eine seltene Art von Neutronenstern, der die stärksten im Universum bekannten Magnetfelder besitzt. Ihre Beobachtungen könnten die erste Entdeckung von Vakuum-Doppelbrechung innerhalb des außergewöhnlich starken Magnetfelds eines Magnetars darstellen. Wenn bestätigt, könnte das Ergebnis Wissenschaftlern eine neue Möglichkeit geben, das Quantenuniversum zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Nature veröffentlicht.
Der Theorie zufolge kann ein außergewöhnlich starkes Magnetfeld das Meer von virtuellen Teilchen beeinflussen, das mit dem Vakuum verbunden ist. Unter diesen Bedingungen wird erwartet, dass die Teilchen beeinflussen, wie Licht sich fortbewegt, es auf eine bestimmte Weise bricht und Vakuum-Doppelbrechung erzeugt. Magnetare bieten eine seltene Gelegenheit, nach diesem Effekt zu suchen, da ihre Magnetfelder stark genug sind, um das vorhergesagte Quantenverhalten möglicherweise beobachtbar zu machen.
Dr. Lower war Teil eines internationalen Forschungsteams, das den Magnetar 1E 1547.0-5408 (oder kurz 1E1547) mit dem Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) der NASA untersuchte. Die Beobachtungen wurden durch das NICER-Röntgenteleskop an Bord der Internationalen Raumstation und Murriyang, das Parkes-Radioteleskop von CSIRO, unterstützt, das im Besitz und Betrieb der australischen Wissenschaftsbehörde ist. Radio-Beobachtungen, die Dr. Lower mit Murriyang sammelte, gefolgt von Analysen auf Swinburnes Ngarrgu Tindebeek-Supercomputer, halfen den Forschern, zu untersuchen, was die erste direkte Detektion dieses bisher theoretischen Quantenphänomens sein könnte.
Obwohl Vakuum-Doppelbrechung in den 1930er Jahren vorhergesagt wurde, sagte Dr. Lower, dass Wissenschaftler noch keine definitive Detektion erhalten haben. 'Die Detektion von Vakuum-Doppelbrechung erfordert ein Magnetfeld, das über 100 Millionen Mal stärker ist als jedes, das wir jemals auf der Erde erzeugt haben. Glücklicherweise hat uns die Natur Magnetare gegeben, die die perfekten kosmischen Labore sind, um nach diesem Effekt zu suchen', sagte Dr. Lower.
Die Forscher verfolgten genau, wie die Radiowellen, die vom Magnetar kamen, ihre Richtung änderten, während der Stern rotierte (ihr 'Polarisationszustand'). Aus diesen Messungen bestimmten sie, dass die magnetischen und Rotationsachsen von 1E 1547 fast ausgerichtet sind. Der Magnetar wird auch aus einer fast polaren Perspektive beobachtet. Zusammen geben diese Eigenschaften Wissenschaftlern eine ungewöhnlich günstige Sicht, um nach Vakuum-Doppelbrechung um 1E 1547 zu suchen.
Das Team fand dann zwei wichtige Hinweise, die auf den Quanteneffekt hindeuten. Röntgenstrahlen, die vom Magnetar erzeugt und von IXPE detektiert wurden, zeigten extrem hohe Polarisationsgrade. Zusätzlich blieb die Richtung dieser Polarisation an das Magnetfeld von 1E1547 gebunden, auf dieselbe Weise, wie es in den Radio-Beobachtungen gesehen wurde.
'Wegen der Stärke des Magnetfelds richten sich Heisenbergs virtuelle Teilchen in Richtung des Feldes aus', sagte Dr. Lower. 'Indem das Team sorgfältig die Richtung verfolgte, in der die Radiowellen und Röntgenstrahlen oszillieren, während der Magnetar rotiert, fand es heraus, dass die Ausrichtung der magnetischen und Rotationspole von 1E1547 ideal war, um Vakuum-Doppelbrechung zu detektieren.'
Wenn die Interpretation bestätigt wird, könnte das Ergebnis Physikern helfen, zu testen, wie etablierte Theorien der Quantenphysik unter einigen der extremsten Bedingungen im Universum funktionieren. Dr. Lower sagte, zusätzliche Beobachtungen und fortschrittlichere Computersimulationen könnten helfen, festzustellen, ob das Signal wirklich von Vakuum-Doppelbrechung stammt.