Astronomen hebben mogelijk het sterkste bewijs tot nu toe gevonden voor een van de vreemdste voorspellingen van de kwantummechanica: zelfs ogenschijnlijk lege ruimte kan de manier waarop licht reist beïnvloeden. Bekend als 'vacuüm-dubbelbreking', werd het fenomeen bijna 90 jaar geleden voorspeld door Werner Heisenberg, een van de pioniers van de kwantummechanica. Zijn werk suggereerde dat een perfect vacuüm niet echt leeg is. In plaats daarvan zou het 'virtuele deeltjes' moeten bevatten die kort verschijnen en verdwijnen.

Onderzoekers, waaronder Dr. Marcus Lower van de Swinburne University of Technology, onderzochten dit al lang bestaande kwantummysterie door een magnetar te bestuderen, een zeldzaam type neutronenster met de sterkste magnetische velden die in het heelal bekend zijn. Hun waarnemingen kunnen de eerste detectie van vacuüm-dubbelbreking in het buitengewoon krachtige magnetische veld van een magnetar vertegenwoordigen. Als dit wordt bevestigd, zou het resultaat wetenschappers een nieuwe manier kunnen geven om het kwantumuniversum te onderzoeken. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in Nature.

Volgens de theorie kan een uitzonderlijk sterk magnetisch veld de zee van virtuele deeltjes die met het vacuüm worden geassocieerd, beïnvloeden. Onder deze omstandigheden wordt verwacht dat de deeltjes van invloed zijn op de manier waarop licht reist, het op een specifieke manier breken en vacuüm-dubbelbreking produceren. Magnetars bieden een zeldzame kans om dit effect te zoeken, omdat hun magnetische velden krachtig genoeg zijn om het voorspelde kwantumgedrag mogelijk waarneembaar te maken.

Dr. Lower maakte deel uit van een internationaal onderzoeksteam dat de magnetar 1E 1547.0-5408 (of kortweg 1E1547) bestudeerde met NASA's Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE). De waarnemingen werden ondersteund door de NICER-röntgentelescoop aan boord van het internationale ruimtestation en Murriyang, CSIRO's Parkes-radiotelescoop, die eigendom is van en wordt beheerd door het Australische nationale wetenschapsagentschap. Radiowaarnemingen die Dr. Lower met Murriyang verzamelde, gevolgd door analyse op Swinburne's Ngarrgu Tindebeek-supercomputer, hielpen de onderzoekers onderzoeken wat de eerste directe detectie van dit voorheen theoretische kwantumfenomeen zou kunnen zijn.

Hoewel vacuüm-dubbelbreking in de jaren dertig werd voorspeld, zei Dr. Lower dat wetenschappers nog geen definitieve detectie hebben verkregen. "Het detecteren van vacuüm-dubbelbreking vereist een magnetisch veld dat meer dan 100 miljoen keer sterker is dan alles wat we op aarde hebben gemaakt. Gelukkig heeft de natuur ons magnetars gegeven, die de perfecte kosmische laboratoria zijn om dit effect te zoeken," zei Dr. Lower.

De onderzoekers volgden nauwlettend hoe de radiogolven die van de magnetar komen van richting veranderden terwijl de ster draaide (hun 'polarisatietoestand'). Uit die metingen bepaalden ze dat de magnetische en rotatie-assen van 1E 1547 bijna zijn uitgelijnd. De magnetar wordt ook waargenomen vanuit een bijna pool-on perspectief. Samen geven die kenmerken wetenschappers een ongewoon gunstig beeld om te zoeken naar vacuüm-dubbelbreking rond 1E 1547.

Het team vond vervolgens twee belangrijke aanwijzingen die naar het kwantumeffect wijzen. Röntgenstralen die door de magnetar worden gegenereerd en door IXPE worden gedetecteerd, vertoonden extreem hoge niveaus van polarisatie. Bovendien bleef de richting van die polarisatie gekoppeld aan het magnetische veld van 1E1547 op dezelfde manier als in de radiowaarnemingen.

"Vanwege de sterkte van het magnetische veld worden Heisenbergs virtuele deeltjes uitgelijnd met de richting waarin het veld wijst," zei Dr. Lower. "Door zorgvuldig de richting te volgen waarin de radiogolven en röntgenstralen oscilleren terwijl de magnetar draait, ontdekte het team dat de uitlijning van de magnetische en rotatiepolen van 1E1547 ideaal was voor het detecteren van vacuüm-dubbelbreking."

Als de interpretatie wordt bevestigd, zou het resultaat natuurkundigen kunnen helpen testen hoe gevestigde theorieën van de kwantumfysica zich gedragen onder enkele van de meest extreme omstandigheden die in het heelal voorkomen. Dr. Lower zei dat aanvullende waarnemingen en meer geavanceerde computersimulaties kunnen helpen vaststellen of het signaal echt afkomstig is van vacuüm-dubbelbreking.