天文学者たちは、量子力学の最も奇妙な予測の一つに対するこれまでで最も強力な証拠を発見したかもしれない。それは、一見空っぽに見える空間でさえ、光の進み方に影響を与えることができるというものだ。「真空複屈折」として知られるこの現象は、約90年前に量子力学の先駆者の一人であるヴェルナー・ハイゼンベルクによって予測された。彼の研究は、完全な真空が本当に空であるわけではないことを示唆していた。代わりに、そこには一時的に現れては消える「仮想粒子」が存在するはずだとされた。

スウィンバーン工科大学のマーカス・ロウアー博士を含む研究者たちは、宇宙で知られている中で最も強い磁場を持つ珍しいタイプの中性子星であるマグネターを研究することで、この長年の量子の謎を調査した。彼らの観測は、マグネターの非常に強力な磁場内で発生する真空複屈折の初めての検出となる可能性がある。確認されれば、この結果は科学者に量子宇宙を調査する新しい方法を与えるかもしれない。この発見は最近、Nature誌に掲載された。

理論によれば、非常に強い磁場は真空に伴う仮想粒子の海に影響を与える可能性がある。これらの条件下では、粒子は光の伝わり方に影響を与え、特定の方法で屈折させ、真空複屈折を生み出すと予想される。マグネターは、その磁場が予測された量子挙動を観測可能にするのに十分な強さであるため、この効果を探す珍しい機会を提供する。

ロウアー博士は、NASAのイメージングX線偏光探査機（IXPE）でマグネター1E 1547.0-5408（略して1E1547）を研究した国際研究チームの一員だった。観測は、国際宇宙ステーションに搭載されたNICER X線望遠鏡と、オーストラリアの国立科学機関が所有・運用するCSIROのパークス電波望遠鏡であるムッリヤンによって支援された。ロウアー博士がムッリヤンを使って収集した電波観測と、スウィンバーンのングァルグ・ティンデベーク・スーパーコンピューターでの分析により、研究者たちはこれまで理論上のものだったこの量子現象の初の直接検出となる可能性を調査することができた。

真空複屈折は1930年代に予測されたが、ロウアー博士は科学者たちがまだ決定的な検出を得ていないと述べた。「真空複屈折を検出するには、地球上で作られたどの磁場よりも1億倍以上強い磁場が必要です。幸いなことに、自然はマグネターを提供してくれました。これはこの効果を探すための完璧な宇宙の実験室です」とロウアー博士は語った。

研究者たちは、星が回転するにつれてマグネターから来る電波の方向がどのように変わるか（その「偏光状態」）を注意深く追跡した。それらの測定から、彼らは1E1547の磁軸と回転軸がほぼ整列していることを決定した。マグネターはまた、ほぼ極方向から観測されている。これらの特性が組み合わさることで、科学者たちは1E1547の周りの真空複屈折を探すのに異常に有利な視点を得ることができる。

その後、チームは量子効果を指し示す2つの重要な手がかりを見つけた。IXPEによって検出されたマグネターから生成されたX線は、非常に高いレベルの偏光を示した。さらに、その偏光の方向は、電波観測で見られたのと同じ方法で1E1547の磁場に結びついたままであった。

「磁場の強さのために、ハイゼンベルクの仮想粒子は磁場の指す方向に整列します」とロウアー博士は語った。「マグネターが回転する際の電波とX線の振動方向を注意深く追跡することで、チームは1E1547の磁極と回転極の整列が真空複屈折を検出するのに理想的であることを発見しました。」

この解釈が確認されれば、この結果は物理学者が宇宙のどこにも見られない極限状態の下で確立された量子物理学の理論がどのように振る舞うかをテストするのに役立つ可能性がある。ロウアー博士は、追加の観測とより高度なコンピューターシミュレーションが、信号が本当に真空複屈折に由来するかどうかを確立するのに役立つかもしれないと述べた。