Astronomer kan ha hittat några av de starkaste bevisen hittills för en av kvantmekanikens mest märkliga förutsägelser: även till synes tom rymd kan påverka hur ljus färdas. Fenomenet, känt som 'vakuumbirefringens', förutspåddes för nästan 90 år sedan av Werner Heisenberg, en av kvantmekanikens pionjärer. Hans arbete antydde att ett perfekt vakuum inte är verkligt tomt. Istället bör det innehålla 'virtuella partiklar' som kort dyker upp och försvinner.

Forskare, inklusive Dr. Marcus Lower från Swinburne University of Technology, undersökte detta långvariga kvantmysterium genom att studera en magnetar, en sällsynt typ av neutronstjärna som har de starkaste magnetfälten som är kända i universum. Deras observationer kan representera den första detekteringen av vakuumbirefringens som sker inom en magnetars extraordinärt kraftfulla magnetfält. Om resultatet bekräftas kan det ge forskare ett nytt sätt att undersöka kvantuniversumet. Resultaten publicerades nyligen i Nature.

Enligt teorin kan ett exceptionellt starkt magnetfält påverka havet av virtuella partiklar som är associerade med vakuumet. Under dessa förhållanden förväntas partiklarna påverka hur ljus färdas, bryta det på ett specifikt sätt och producera vakuumbirefringens. Magnetarer ger en sällsynt möjlighet att söka efter denna effekt eftersom deras magnetfält är tillräckligt kraftfulla för att göra den förutsagda kvantbeteendet potentiellt observerbar.

Dr. Lower var en del av ett internationellt forskningsteam som studerade magnetaren 1E 1547.0-5408 (eller 1E1547 för kort) med NASA:s Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE). Observationerna stöddes av NICER-röntgenteleskopet ombord på Internationella rymdstationen och Murriyang, CSIRO:s Parkes-radioteleskop, som ägs och drivs av Australiens nationella vetenskapsbyrå. Radioobservationer som samlades in av Dr. Lower med hjälp av Murriyang, följt av analys på Swinburnes Ngarrgu Tindebeek-superdator, hjälpte forskarna att undersöka vad som kan vara den första direkta detekteringen av detta tidigare teoretiska kvantfenomen.

Även om vakuumbirefringens förutspåddes på 1930-talet, sa Dr. Lower att forskare ännu inte har fått en definitiv detektering. "Att detektera vakuumbirefringens kräver ett magnetfält som är över 100 miljoner gånger starkare än något vi någonsin har skapat på jorden. Tack och lov har naturen försett oss med magnetarer, som är de perfekta kosmiska laboratorierna för att leta efter denna effekt," sa Dr. Lower.

Forskarna följde noga hur radiovågorna som kom från magnetaren ändrade riktning när stjärnan roterade (deras 'polarisationstillstånd'). Från dessa mätningar fastställde de att de magnetiska och roterande axlarna hos 1E 1547 är nästan inriktade. Magnetaren observeras också från ett nästan polärt perspektiv. Tillsammans ger dessa egenskaper forskare en ovanligt gynnsam vy för att söka efter vakuumbirefringens runt 1E 1547.

Teamet hittade sedan två viktiga ledtrådar som pekar mot kvanteffekten. Röntgenstrålar som genererades av magnetaren och detekterades av IXPE visade extremt höga nivåer av polarisation. Dessutom förblev riktningen för den polarisationen bunden till magnetfältet hos 1E1547 på samma sätt som ses i radioobservationerna.

"På grund av magnetfältets styrka blir Heisenbergs virtuella partiklar inriktade med den riktning fältet pekar," sa Dr. Lower. "Genom att noggrant spåra riktningen som radiovågorna och röntgenstrålarna oscillerar när magnetaren roterar, fann teamet att inriktningen av 1E1547:s magnetiska och roterande poler var idealisk för att detektera vakuumbirefringens."

Om tolkningen bekräftas kan resultatet hjälpa fysiker att testa hur etablerade teorier inom kvantfysik beter sig under några av de mest extrema förhållanden som finns någonstans i universum. Dr. Lower sa att ytterligare observationer och mer avancerade datorsimuleringar kan hjälpa till att fastställa om signalen verkligen kommer från vakuumbirefringens.