Концепция этого художника изображает магнетар 1E 1547.0-5408 — быстро вращающуюся нейтронную звезду, чьи магнитные поля более чем в триллион раз превосходят земные. Синие кривые, исходящие от магнитных полюсов, олицетворяют линии магнитного поля. Фото: НАСА/Пабло Гарсия.
Астрономы, возможно, нашли убедительные доказательства одного из самых странных предсказаний квантовой механики: даже кажущееся пустое пространство может оказывать влияние на путь света. Это явление, известное как «вакуумное двойное лучепреломление», было предсказано почти 90 лет назад Вернером Гейзенбергом — одним из пионеров квантовой механики. Его работа предполагала, что идеальный вакуум не является по-настоящему пустым: в нем постоянно существуют недолговечные «виртуальные частицы», которые возникают и исчезают.
Исследователи, в том числе доктор Маркус Лоуэр из Технологического университета Суинберна, изучали эту давнюю квантовую загадку, наблюдая магнетар — редкий тип нейтронной звезды с экстремально мощными магнитными полями. Их наблюдение может стать первым обнаружением вакуумного двойного лучепреломления, происходящего в чудовищном магнитном поле магнетара. В случае подтверждения этот результат даст ученым новый метод исследования квантовой Вселенной. Результаты недавно опубликованы в журнале Nature.
Как мощные магнитные поля изменяют свет
Согласно теории, исключительно сильное магнитное поле способно воздействовать на море виртуальных частиц, ассоциированных с вакуумом. Ожидается, что в таких условиях частицы будут влиять на распространение света, преломляя его особым образом и создавая вакуумное двойное лучепреломление. Магнетары дают редчайшую возможность проверить этот эффект, поскольку напряженность их полей достаточна для того, чтобы предсказанное квантовое поведение стало доступным измерениям.
Доктор Лоуэр входил в международную исследовательскую группу, которая наблюдала магнетар 1E 1547.0-5408 (сокращенно 1E1547) с помощью рентгеновского поляриметрического прибора НАСА IXPE. Дополнительно использовались данные телескопа NICER, установленного на борту Международной космической станции, и радиотелескопа Murriyang CSIRO Parkes, принадлежащего австралийскому национальному научному агентству. Радионаблюдения, выполненные доктором Лоуэром, а затем обработанные на суперкомпьютере Нгарргу Тиндебека в Суинберне, помогли исследователям распознать признаки возможного открытия.
Хотя вакуумное двойное лучепреломление предсказано еще в 1930-х годах, окончательно зафиксировать его до сих пор не удавалось. По словам доктора Лоуэра, для детектирования эффекта требуется магнитное поле, по меньшей мере в 100 миллионов раз более сильное, чем любое, созданное на Земле. «К счастью, нам удалось воспользоваться магнетарами, которые служат космическими лабораториями для проверки этого предсказания», — отметил он.
Магнетар с идеальной геометрией обзора
Исследователи внимательно проследили за тем, как радиоволны, исходящие от магнетара, меняли свое состояние поляризации. Эти измерения показали, что магнитная и вращательная оси объекта почти совпадают, а сам магнетар виден с точки, близкой к полюсу. Такая конфигурация предоставляет чрезвычайно выгодные условия для выявления вакуумного двойного лучепреломления в окрестностях 1E1547.
Решающими уликами стали два аномальных признака, обнаруженных в рентгеновском излучении. Пики радио- и рентгеновского излучения, как выяснилось, смещаются на протяжении периода вращения, составляющего 2,1 секунды, что указывает на существование вторичной «горячей точки», смещенной относительно магнитной оси. Степень поляризации рентгеновских лучей в верхнем и нижнем конусах достигла 40% и 80% соответственно, причем эти высокие значения плавно и согласованно изменялись в течение периода. Подобная картина дает наиболее четкий на сегодняшний день сигнал вакуумного двойного лучепреломления — долгожданного предсказания квантовой электродинамики.
чрезвычайно высокий уровень поляризации. Кроме того, направление этой поляризации было предписано магнитному полю 1E1547 так же, как это произошло в наблюдениях за радионаблюдениями.
«Из-за силы магнитных полей виртуальные частицы Гейзенберга бегут в направлении, в котором указывает поле», — сказал он. Сказал доктор Лоуэр.
«Тщательно отслеживаемая направление колебаний радиоволн и рентгеновских лучей при вращении магнетара, команда обнаружила, что быстрые магнитного и вращательного полюсов 1E1547 идеально подходят для обнаружения вакуумного двойного лучепреломления».
Закрытие квантовой тайны 90-летней давности
Если интерпретация подтвердится, результат может помочь физикам проверить, как устоявшиеся теории квантовой физики доказывают себя в самых экстремальных условиях, встречающихся где-либо во Вселенной.
Доктор Лоуэр сказал, что дополнительное наблюдение и более продвинутое компьютерное моделирование могут помочь установить, действительно ли сигнал исходит от вакуумного двойного лучепреломления. Эти улучшения должны помочь исследователям записать предсказанную квантовую сигнатуру из других физических процессов, происходящих вокруг магнетаров.
«Имея под рукой эти будущие данные и наши обновленные симуляции, мы, возможно, наконец сможем завершить квест, начатый Гейзенбергом почти 90 лет назад».
В статье «Вакуумное двойное лучепреломление и поляризованное рентгеновское излучение радиомагнетара» опубликовано в Nature .