Les astronomes pourraient avoir trouvé l'une des preuves les plus solides de l'une des prédictions les plus étranges de la mécanique quantique : même un espace apparemment vide peut influencer la façon dont la lumière se déplace. Connu sous le nom de « biréfringence du vide », ce phénomène a été prédit il y a près de 90 ans par Werner Heisenberg, l'un des pionniers de la mécanique quantique. Ses travaux suggéraient qu'un vide parfait n'est pas vraiment vide. Au lieu de cela, il devrait contenir des « particules virtuelles » qui apparaissent et disparaissent brièvement.

Des chercheurs, dont le Dr Marcus Lower de l'Université de technologie de Swinburne, ont étudié ce mystère quantique de longue date en étudiant un magnétar, un type rare d'étoile à neutrons possédant les champs magnétiques les plus puissants connus dans l'univers. Leurs observations pourraient représenter la première détection de la biréfringence du vide se produisant dans le champ magnétique extraordinairement puissant d'un magnétar. Si elle est confirmée, cette découverte pourrait donner aux scientifiques un nouveau moyen d'étudier l'univers quantique. Les résultats ont été publiés récemment dans Nature.

Selon la théorie, un champ magnétique exceptionnellement fort peut affecter la mer de particules virtuelles associée au vide. Dans ces conditions, les particules sont censées influencer la façon dont la lumière se déplace, la réfractant d'une manière spécifique et produisant une biréfringence du vide. Les magnétars offrent une occasion rare de rechercher cet effet car leurs champs magnétiques sont suffisamment puissants pour rendre le comportement quantique prédit potentiellement observable.

Le Dr Lower faisait partie d'une équipe de recherche internationale qui a étudié le magnétar 1E 1547.0-5408 (ou 1E1547 en abrégé) avec l'explorateur de polarimétrie des rayons X de l'imageur (IXPE) de la NASA. Les observations ont été soutenues par le télescope à rayons X NICER à bord de la Station spatiale internationale et par Murriyang, le radiotélescope de Parkes du CSIRO, qui appartient et est exploité par l'agence scientifique nationale australienne. Les observations radio collectées par le Dr Lower à l'aide de Murriyang, suivies d'une analyse sur le supercalculateur Ngarrgu Tindebeek de Swinburne, ont aidé les chercheurs à étudier ce qui pourrait être la première détection directe de ce phénomène quantique auparavant théorique.

Bien que la biréfringence du vide ait été prédite dans les années 1930, le Dr Lower a déclaré que les scientifiques n'ont pas encore obtenu de détection définitive. « Détecter la biréfringence du vide nécessite un champ magnétique plus de 100 millions de fois plus fort que tout ce que nous avons jamais créé sur Terre. Heureusement, la nature nous a fourni des magnétars, qui sont les laboratoires cosmiques parfaits pour rechercher cet effet », a déclaré le Dr Lower.

Les chercheurs ont suivi de près la façon dont les ondes radio provenant du magnétar changeaient de direction à mesure que l'étoile tournait (leur « état de polarisation »). À partir de ces mesures, ils ont déterminé que les axes magnétiques et de rotation de 1E 1547 sont presque alignés. Le magnétar est également observé depuis une perspective presque polaire. Ensemble, ces caractéristiques donnent aux scientifiques une vue inhabituellement favorable pour rechercher la biréfringence du vide autour de 1E 1547.

L'équipe a ensuite trouvé deux indices importants pointant vers l'effet quantique. Les rayons X générés par le magnétar et détectés par IXPE ont montré des niveaux extrêmement élevés de polarisation. De plus, la direction de cette polarisation est restée liée au champ magnétique de 1E1547 de la même manière que celle observée dans les observations radio.

« En raison de la force du champ magnétique, les particules virtuelles de Heisenberg s'alignent sur la direction du champ », a déclaré le Dr Lower. « En suivant attentivement la direction dans laquelle les ondes radio et les rayons X oscillent à mesure que le magnétar tourne, l'équipe a constaté que l'alignement des pôles magnétiques et de rotation de 1E1547 était idéal pour détecter la biréfringence du vide. »

Si l'interprétation est confirmée, le résultat pourrait aider les physiciens à tester comment les théories établies de la physique quantique se comportent dans certaines des conditions les plus extrêmes trouvées n'importe où dans l'univers. Le Dr Lower a déclaré que des observations supplémentaires et des simulations informatiques plus avancées pourraient aider à établir si le signal provient vraiment du vide b