Астрономы, возможно, поймали «пустое» пространство с поличным: оно искривляет свет вокруг магнитара точно так, как предсказал Гейзенберг 90 лет назад. Самые сильные магниты Вселенной стали еще интереснее.

Астрономы, возможно, нашли одни из самых убедительных доказательств одного из самых странных предсказаний квантовой механики: даже, казалось бы, пустое пространство может влиять на распространение света. Это явление, известное как «вакуумное двулучепреломление», было предсказано почти 90 лет назад Вернером Гейзенбергом, одним из пионеров квантовой механики. Его работа предполагала, что идеальный вакуум не является по-настоящему пустым. Вместо этого в нем должны существовать «виртуальные частицы», которые кратковременно появляются и исчезают.

Исследователи, включая доктора Маркуса Лоуэра из Технологического университета Суинберна, изучали эту давнюю квантовую загадку, исследуя магнитар — редкий тип нейтронной звезды, обладающей самыми сильными магнитными полями, известными во Вселенной. Их наблюдения могут представлять собой первое обнаружение вакуумного двулучепреломления в чрезвычайно мощном магнитном поле магнитара. Если это подтвердится, результат может дать ученым новый способ исследования квантовой Вселенной. Результаты недавно были опубликованы в журнале Nature.

Согласно теории, исключительно сильное магнитное поле может влиять на море виртуальных частиц, связанных с вакуумом. В этих условиях ожидается, что частицы будут влиять на распространение света, преломляя его определенным образом и вызывая вакуумное двулучепреломление. Магнитары предоставляют редкую возможность для поиска этого эффекта, поскольку их магнитные поля достаточно сильны, чтобы предсказанное квантовое поведение могло стать наблюдаемым.

Доктор Лоуэр был частью международной исследовательской группы, которая изучала магнитар 1E 1547.0-5408 (или сокращенно 1E1547) с помощью рентгеновской обсерватории NASA IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer). Наблюдения были поддержаны рентгеновским телескопом NICER на борту Международной космической станции и радиотелескопом Мурриянг (CSIRO Parkes), который принадлежит и управляется Австралийским национальным научным агентством. Радионаблюдения, собранные доктором Лоуэром с помощью Мурриянга, с последующим анализом на суперкомпьютере Нгарргу Тиндебик в Суинберне, помогли исследователям выяснить, что может быть первым прямым обнаружением этого ранее теоретического квантового явления.

Хотя вакуумное двулучепреломление было предсказано в 1930-х годах, доктор Лоуэр сказал, что ученым еще предстоит получить окончательное обнаружение. «Для обнаружения вакуумного двулучепреломления требуется магнитное поле, которое более чем в 100 миллионов раз сильнее любого, которое мы когда-либо создавали на Земле. К счастью, природа предоставила нам магнитары, которые являются идеальными космическими лабораториями для поиска этого эффекта», — сказал доктор Лоуэр.

Исследователи внимательно следили за тем, как радиоволны, исходящие от магнитара, меняли направление при вращении звезды (их «состояние поляризации»). По этим измерениям они определили, что магнитная и вращательная оси 1E 1547 почти совпадают. Магнитар также наблюдается почти с полюса. Вместе эти характеристики дают ученым необычно благоприятный обзор для поиска вакуумного двулучепреломления вокруг 1E 1547.

Затем команда обнаружила две важные улики, указывающие на квантовый эффект. Рентгеновские лучи, генерируемые магнитаром и обнаруженные IXPE, показали чрезвычайно высокие уровни поляризации. Кроме того, направление этой поляризации оставалось связанным с магнитным полем 1E1547 так же, как это наблюдалось в радионаблюдениях.

«Из-за силы магнитного поля виртуальные частицы Гейзенберга выстраиваются вдоль направления поля», — сказал доктор Лоуэр. «Внимательно отслеживая направление колебаний радиоволн и рентгеновских лучей при вращении магнитара, команда обнаружила, что выравнивание магнитных и вращательных полюсов 1E1547 было идеальным для обнаружения вакуумного двулучепреломления».

Если интерпретация подтвердится, результат может помочь физикам проверить, как устоявшиеся теории квантовой физики ведут себя в одних из самых экстремальных условий, встречающихся во Вселенной. Доктор Лоуэр сказал, что дополнительные наблюдения и более совершенные компьютерные симуляции могут помочь установить, действительно ли сигнал исходит от вакуумного двулучепреломления.