Австралийские астрономы, возможно, только что подтвердили одну из самых причудливых гипотез квантовой механики: кажущееся пустым пространство может изменять поведение света. Это явление, получившее название «двойное лучепреломление вакуума», было впервые предсказано почти 90 лет назад Вернером Гейзенбергом (1901-1976), одним из отцов-основателей квантовой механики, лауреатом Нобелевской премии по физике 1932 года. Он предположил, что даже идеальный вакуум должен кишеть «виртуальными частицами», которые быстро появляются и исчезают.
Ученые, в том числе доктор Маркус Лоуэр из Технологического университета Суинберна, использовали свойства магнетара — редкого типа нейтронной звезды с самыми сильными магнитными полями во Вселенной — для изучения этого квантового феномена.
Их наблюдения могут стать первым практическим обнаружением двойного лучепреломления вакуума, происходящего в сверхсильном магнитном поле магнетара, что открывает новые пути для изучения квантовой Вселенной. Результаты были опубликованы 5 августа в журнале Nature.
Магнетары в качестве испытательных стендов
Считается, что в присутствии чрезвычайно мощного магнитного поля виртуальные частицы Гейзенберга будут преломлять свет особым образом, создавая двойное лучепреломление в вакууме. Лишь магнитные поля магнетаров обладают мощью, способной сделать этот квантовый эффект заметным.
Доктор Лоуэр с коллегами наблюдали магнетар, известный как 1E 1547.0–5408 (или сокращенно 1E1547), с помощью рентгеновского поляриметра IXPE NASA, рентгеновского телескопа NICER на Международной космической станции и радиотелескопа Parkes, принадлежащего австралийскому агентству CSIRO.
Наблюдения, сделанные с помощью Parkes, и последующий анализ с использованием суперкомпьютера Ngarrgu Tindebeek компании Swinburne могут стать первым прямым обнаружением квантового эффекта, существовавшего до сих пор лишь в теории.
Для обнаружения двойного лучепреломления в вакууме требуется магнитное поле, более чем в 100 миллионов раз более мощное, чем любое из тех, что мы когда-либо создавали на Земле. К счастью, природа снабдила нас магнетарами, которые являются идеальными космическими лабораториями для изучения этого эффекта.
Тщательно отслеживая направление колебаний радиоволн, излучаемых магнетаром при его вращении, команда обнаружила, что магнитная ось и ось вращения 1E 1547 практически совпадают. Такое сочетание магнитной и обзорной геометрии делает 1E 1547 идеальным прибором для определения двойного лучепреломления в вакууме.
Ученые определили два явных признака того, что вокруг магнетара действует двойное лучепреломление: они обнаружили, что рентгеновские лучи, испускаемые магнетаром и улавливаемые IXPE, имеют чрезвычайно высокий уровень поляризации и что направление поляризации привязано к магнитному полю 1E1547 таким же образом, как и радиоволны.
Из-за напряженности магнитного поля виртуальные частицы Гейзенберга выстраиваются в соответствии с направлением, на которое направлено поле. Тщательно отслеживая направление колебаний радиоволн и рентгеновских лучей при вращении магнетара, команда обнаружила, что расположение магнитного и «геометрического» (вращательного) полюсов 1E1547 доказывает существование двойного лучепреломления в вакууме.
Доказательства все еще нуждаются в проверке
Если это открытие подтвердится, оно проложит путь к пониманию того, как теории квантовой физики работают в одной из самых экстремальных сред во Вселенной.
Маркус Лоуэр полагает, что открытие вскоре может быть подтверждено дополнительными данными наблюдений и улучшенным компьютерным моделированием, которое позволит отличить сигнал двойного лучепреломления в вакууме от других процессов, происходящих вокруг магнетаров.
«Имея в своем распоряжении эти будущие данные и наши обновленные модели, мы, возможно, наконец-то сможем завершить поиски, начатые Гейзенбергом почти 90 лет назад» — подытожил исследователь.
О летящем по Млечному Пути магнетаре-зомби, способном разрывать людей на атомы, мы рассказали здесь.