천문학자들이 '빈' 공간이 하이젠베르크가 90년 전에 예측한 대로 자석성의 주변에서 빛을 휘게 하는 현상을 적발했을지도 모른다. 우주에서 가장 강력한 자석이 더욱 흥미로워졌다.

천문학자들은 양자 역학의 가장 이상한 예측 중 하나에 대한 가장 강력한 증거를 찾았을지도 모른다: 겉보기에 빈 공간조차도 빛이 이동하는 방식에 영향을 미칠 수 있다는 것이다. '진공 복굴절'로 알려진 이 현상은 양자 역학의 선구자 중 한 명인 베르너 하이젠베르크가 거의 90년 전에 예측했다. 그의 연구는 완벽한 진공이 실제로는 비어 있지 않다고 제안했다. 대신, 그것은 잠시 나타났다가 사라지는 '가상 입자'를 포함해야 한다.

스윈번 공과대학의 마커스 로어 박사를 포함한 연구자들은 우주에서 가장 강한 자기장을 가진 희귀한 중성자 별 유형인 자석성을 연구함으로써 이 오랜 양자 미스터리를 조사했다. 그들의 관측은 자석성의 매우 강력한 자기장 내에서 발생하는 진공 복굴절의 첫 번째 탐지를 나타낼 수 있다. 확인된다면, 그 결과는 과학자들에게 양자 우주를 조사할 수 있는 새로운 방법을 제공할 수 있다. 연구 결과는 최근 네이처 저널에 게재되었다.

이론에 따르면, 예외적으로 강한 자기장은 진공과 관련된 가상 입자의 바다에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 조건에서 입자는 빛이 이동하는 방식에 영향을 미치고, 특정한 방식으로 굴절시켜 진공 복굴절을 생성할 것으로 예상된다. 자석성은 이 효과를 찾을 수 있는 드문 기회를 제공하는데, 그 이유는 그들의 자기장이 예측된 양자 거동을 관찰 가능하게 만들 만큼 강력하기 때문이다.

로어 박사는 NASA의 Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE)로 자석성 1E 1547.0-5408 (또는 줄여서 1E1547)을 연구한 국제 연구 팀의 일원이었다. 관측은 국제 우주 정거장에 탑재된 NICER X선 망원경과 호주 국가 과학 기관이 소유하고 운영하는 CSIRO의 파크스 전파 망원경인 Murriyang에 의해 지원되었다. 로어 박사가 Murriyang을 사용하여 수집한 전파 관측과 스윈번의 Ngarrgu Tindebeek 슈퍼컴퓨터에서의 분석은 연구자들이 이전에는 이론적인 양자 현상의 첫 직접 탐지일 수 있는 것을 조사하는 데 도움이 되었다.

진공 복굴절은 1930년대에 예측되었지만, 로어 박사는 과학자들이 아직 결정적인 탐지를 얻지 못했다고 말했다. "진공 복굴절을 탐지하려면 지구에서 만든 어떤 자기장보다 1억 배 이상 강한 자기장이 필요합니다. 다행히도 자연은 우리에게 자석성을 제공했으며, 이는 이 효과를 찾기에 완벽한 우주 실험실입니다."라고 로어 박사는 말했다.

연구자들은 자석성이 회전함에 따라 나오는 전파의 방향이 어떻게 바뀌는지 (그들의 '편광 상태') 면밀히 추적했다. 그 측정으로부터 그들은 1E 1547의 자기축과 회전축이 거의 정렬되어 있음을 결정했다. 자석성은 또한 거의 극 방향에서 관측된다. 함께, 이러한 특성은 과학자들에게 1E 1547 주변의 진공 복굴절을 검색하기에 비정상적으로 유리한 시야를 제공한다.

그런 다음 팀은 양자 효과를 가리키는 두 가지 중요한 단서를 발견했다. IXPE에 의해 감지된 자석성에서 생성된 X선은 극도로 높은 수준의 편광을 보여주었다. 또한, 그 편광의 방향은 전파 관측에서 보이는 것과 같은 방식으로 1E1547의 자기장에 묶여 있었다.

"자기장의 강도 때문에, 하이젠베르크의 가상 입자는 자기장이 가리키는 방향으로 정렬됩니다."라고 로어 박사는 말했다. "자석성이 회전함에 따라 전파와 X선이 진동하는 방향을 주의 깊게 추적함으로써, 팀은 1E1547의 자기극과 회전극의 정렬이 진공 복굴절을 탐지하기에 이상적이라는 것을 발견했습니다."

해석이 확인된다면, 그 결과는 물리학자들이 우주 어디에서나 발견되는 가장 극한 조건 중 일부에서 확립된 양자 물리학 이론이 어떻게 작동하는지 테스트하는 데 도움이 될 수 있다. 로어 박사는 추가 관측과 더 고급 컴퓨터 시뮬레이션이 신호가 실제로 진공 복굴절에서 오는지 여부를 확립하는 데 도움이 될 수 있다고 말했다.