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, расходящиеся от двух магнитных полюсов, обозначают линии магнитного поля. Магнетар служит источником радио- и рентгеновского излучения, пики которого смещаются в течение 2,1-секундного периода его вращения, что указывает на наличие вторичной «горячей точки», вынесенной за пределы магнитной оси. Эти излучатели визуализированы как конические сечения: более светлый синий пик радиоизлучения возникает вдоль оси симметрии магнитных полей, а тёмно-синий пик рентгеновского излучения — ниже. Степень поляризации рентгеновских лучей для верхнего и нижнего конусов составляет 40% и 80% соответственно. Именно эти аномально высокие значения, сочетающиеся с плавными когерентными изменениями поляризации в течение периода излучения, дают на сегодняшний день наиболее убедительный сигнал о вакуумном двойном лучепреломлении — долгожданном предсказании квантовой электродинамики. Фото: НАСА/Пабло Гарсия.
Астрономическому сообществу, возможно, удалось вплотную приблизиться к эмпирическому подтверждению одного из самых причудливых следствий квантовой механики, согласно которому даже на первый взгляд абсолютно пустое пространство не остаётся безучастным к путешествию света. Речь идёт о феномене, известном как «вакуумное двойное лучепреломление»: его существование было предсказано ещё в первой половине XX века Вернером Гейзенбергом — одним из отцов-основателей квантовой теории. В его работах утверждалось, что истинный вакуум отнюдь не представляет собой абсолютную пустоту, а должен содержать эфемерные «виртуальные частицы», которые непрерывно рождаются и тут же исчезают, не оставляя после себя следа в привычном понимании.
Группа исследователей, включая доктора Маркуса Лоуэра из Технологического университета Суинберна, решила проверить эту давнюю гипотезу, обратившись к магнетарам — чрезвычайно редкой разновидности нейтронных звёзд, обладающих самыми мощными магнитными полями, наблюдаемыми во Вселенной. Проведённые ими наблюдения потенциально могут стать первым зарегистрированным случаем вакуумного двойного лучепреломления, возникающего в чудовищном магнитном поле подобного объекта. Если полученные данные будут подтверждены, учёные получат принципиально новый инструмент для исследования квантовой природы реальности. Результаты работы недавно были опубликованы на страницах журнала Nature.
Экстремальные магнитные поля как ключ к разгадке квантовой пустоты
Теоретические построения гласят, что исключительно мощное магнитное поле способно видоизменять море виртуальных частиц, населяющих вакуум. В таких условиях эти частицы начинают влиять на распространение света, вызывая его преломление специфическим образом, который и получил название вакуумного двойного лучепреломления. Для проверки этого эффекта необходимы поля, недостижимые в земных лабораториях, однако магнетары предоставляют естественную среду, где предсказанное квантовое поведение становится доступным для наблюдения.
Доктор Лоуэр принял участие в работе международного коллектива, сосредоточившего внимание на изучении значительной части магнетара 1E 1547.0-5408 с помощью рентгеновского поляриметра изображений IXPE (NASA). Дополнительные данные были собраны с использованием телескопа NICER, размещённого на борту Международной космической станции, а также радиотелескопа Мурриянг (CSIRO Parkes), который принадлежит национальному научному агентству Австралии и управляется им.
Радионаблюдения, выполненные доктором Лоуэром на Муррианге, а затем обработанные на суперкомпьютерном комплексе Суинберна под названием Нгарргу Тиндебек, позволили исследователям идентифицировать то, что может оказаться первым свидетельством этого ранее чисто теоретического квантового явления. Хотя двойное лучепреломление в вакууме было предсказано ещё в 1930-х годах, окончательного и недвусмысленного открытия, по словам доктора Лоу, до сих пор не произошло. Он подчёркивает: для регистрации такого эффекта необходимо магнитное поле, более чем в 100 миллионов раз превосходящее по силе всё, что когда-либо удавалось создать на Земле. К счастью, магнетары выступают в роли естественных космических лабораторий, позволяющих проверить это предсказание, — отмечает исследователь в комментарии для журнала Nature.
Ключом к успеху стала исключительно удачная геометрия наблюдения. Учёные внимательно проследили за изменением направления радиоволн, исходящих от магнетара, — их так называемого состояния поляризации. Эти измерения показали, что магнитная и вращательная оси объекта 1E 1547 почти совпадают, а сам магнетар наблюдается с точки зрения, близкой к полюсу. Совокупность этих двух факторов предоставила астрономам необычайно выгодную возможность для поиска вакуумного двойного лучепреломления вблизи данного объекта.
Дополнительно было обнаружено две важные подсказки, указывающие на квантовый эффект. Рентгеновские лучи, генерируемые магнетаром и зафиксированные аппаратом IXPE, демонстрируют экстремально высокую степень поляризации: для верхнего и нижнего конусов излучения этот показатель достигает 40% и 80% соответственно. Такие значения, сопровождающиеся плавными и когерентными изменениями поляризации в течение периода излучения, дают наиболее отчётливый на сегодняшний день сигнал о существовании вакуумного двойного лучепреломления.
овень 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 .