Astronomowie mogli znaleźć najmocniejsze jak dotąd dowody na jedno z najdziwniejszych przewidywań mechaniki kwantowej: nawet pozornie pusta przestrzeń może wpływać na sposób, w jaki podróżuje światło. Znane jako „dwójłomność próżni” zjawisko to zostało przewidziane prawie 90 lat temu przez Wernera Heisenberga, jednego z pionierów mechaniki kwantowej. Jego praca sugerowała, że idealna próżnia nie jest naprawdę pusta. Zamiast tego powinna zawierać „cząstki wirtualne”, które pojawiają się i znikają na krótko.

Naukowcy, w tym dr Marcus Lower z Swinburne University of Technology, badali tę odwieczną kwantową zagadkę, analizując magnetar, rzadki typ gwiazdy neutronowej posiadający najsilniejsze znane pola magnetyczne we wszechświecie. Ich obserwacje mogą stanowić pierwszą detekcję dwójłomności próżni zachodzącej w niezwykle silnym polu magnetycznym magnetara. Jeśli wynik zostanie potwierdzony, może dać naukowcom nowy sposób badania kwantowego wszechświata. Odkrycia opublikowano niedawno w czasopiśmie „Nature”.

Zgodnie z teorią, wyjątkowo silne pole magnetyczne może wpływać na morze cząstek wirtualnych związanych z próżnią. W tych warunkach cząstki te mają wpływać na sposób podróżowania światła, załamując je w specyficzny sposób i powodując dwójłomność próżni. Magnetary stanowią rzadką okazję do poszukiwania tego efektu, ponieważ ich pola magnetyczne są wystarczająco silne, aby przewidywane kwantowe zachowanie mogło być potencjalnie obserwowalne.

Dr Lower był częścią międzynarodowego zespołu badawczego, który badał magnetar 1E 1547.0-5408 (w skrócie 1E1547) za pomocą należącego do NASA teleskopu Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE). Obserwacje były wspierane przez teleskop rentgenowski NICER na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej oraz Murriyang, radioteleskop Parkes należący do CSIRO, który jest własnością i jest obsługiwany przez australijską narodową agencję naukową. Obserwacje radiowe zebrane przez dr. Lowera przy użyciu Murriyang, a następnie analiza na superkomputerze Ngarrgu Tindebeek w Swinburne, pomogły naukowcom zbadać, co może być pierwszą bezpośrednią detekcją tego wcześniej teoretycznego zjawiska kwantowego.

Chociaż dwójłomność próżni została przewidziana w latach 30. XX wieku, dr Lower powiedział, że naukowcy wciąż nie uzyskali jednoznacznej detekcji. „Wykrycie dwójłomności próżni wymaga pola magnetycznego ponad 100 milionów razy silniejszego niż jakiekolwiek, jakie kiedykolwiek wytworzyliśmy na Ziemi. Na szczęście natura zapewniła nam magnetary, które są idealnymi kosmicznymi laboratoriami do poszukiwania tego efektu” – powiedział dr Lower.

Naukowcy dokładnie śledzili, jak fale radiowe pochodzące z magnetara zmieniały kierunek podczas rotacji gwiazdy (ich „stan polaryzacji”). Na podstawie tych pomiarów ustalili, że osie magnetyczne i rotacyjne 1E 1547 są prawie wyrównane. Magnetar jest również obserwowany z perspektywy prawie biegunowej. Razem te cechy dają naukowcom niezwykle korzystny widok do poszukiwania dwójłomności próżni wokół 1E 1547.

Zespół znalazł następnie dwie ważne wskazówki wskazujące na efekt kwantowy. Promienie rentgenowskie generowane przez magnetar i wykryte przez IXPE wykazały niezwykle wysoki poziom polaryzacji. Ponadto kierunek tej polaryzacji pozostawał związany z polem magnetycznym 1E1547 w taki sam sposób, jak w obserwacjach radiowych.

„Ze względu na siłę pola magnetycznego wirtualne cząstki Heisenberga ustawiają się zgodnie z kierunkiem pola” – powiedział dr Lower. „Uważnie śledząc kierunek oscylacji fal radiowych i rentgenowskich podczas rotacji magnetara, zespół odkrył, że wyrównanie biegunów magnetycznych i rotacyjnych 1E1547 było idealne do wykrycia dwójłomności próżni”.

Jeśli interpretacja zostanie potwierdzona, wynik może pomóc fizykom w testowaniu, jak ustalone teorie fizyki kwantowej zachowują się w jednych z najbardziej ekstremalnych warunków we wszechświecie. Dr Lower powiedział, że dodatkowe obserwacje i bardziej zaawansowane symulacje komputerowe mogą pomóc ustalić, czy sygnał rzeczywiście pochodzi z próżni.