Астрономы, возможно, впервые зафиксировали квантовый эффект, предсказанный Вернером Гейзенбергом почти 90 лет назад. Речь идет о вакуумном двулучепреломлении — явлении, при котором, казалось бы, пустое пространство изменяет поведение света.

Согласно квантовой теории, даже идеальный вакуум не является по-настоящему пустым: в нем постоянно возникают и исчезают «виртуальные частицы». Однако подтвердить этот эффект экспериментально до сих пор не удавалось. Теперь ученые, возможно, нашли доказательства, наблюдая за одним из самых экстремальных объектов во Вселенной — магнетаром.

Космическая проверка квантовой физики

Международная группа исследователей, включая ученых из Центра космических наук и технологий, Южноафриканской радиоастрономической обсерватории (SARAO), Лос-Аламосской национальной лаборатории, Центра космических полетов имени Маршалла NASA и других организаций, изучила магнетар — редкий тип нейтронной звезды с чрезвычайно сильным магнитным полем. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Теория предсказывает, что при воздействии на вакуум чрезвычайно сильного магнитного поля виртуальные частицы Гейзенберга могут влиять на распространение света, вызывая вакуумное двулучепреломление (VB). Проблема в том, что магнитные поля, достаточные для обнаружения этого эффекта, невозможно воспроизвести в земных лабораториях.

Магнетары предоставляют естественное решение этой проблемы. Доктор Маркус Лоуэр из Технологического университета Суинберна, руководивший наблюдениями, пояснил: «Обнаружение вакуумного двулучепреломления требует магнитного поля, которое более чем в 100 миллионов раз сильнее любого, которое мы когда-либо создавали на Земле. К счастью, природа предоставила нам магнетары — идеальные космические лаборатории для поиска этого эффекта».

Наблюдение за экстремальным магнетаром

Лоуэр руководил наблюдениями магнетара 1E 1547.0-5408 (1E1547) с помощью радиотелескопа Murriyang (Паркс) CSIRO. Полученные данные были проанализированы на суперкомпьютере Ngarrgu Tindebeek Технологического университета Суинберна.

Исследователи объединили эти наблюдения с данными рентгеновского поляриметра IXPE NASA и рентгеновского телескопа NICER на борту Международной космической станции. Отслеживая радиоизлучение 1E1547, они фиксировали ориентацию колебаний волн (их «поляризационное состояние») по мере вращения магнетара.

Измерения показали, что магнитная и вращательная оси магнетара почти совпадают, а наблюдатели видят объект практически с полюса. Эти особенности делают 1E1547 особенно подходящим для поиска вакуумного двулучепреломления.

Рентгеновские лучи раскрывают возможную квантовую сигнатуру

Рентгеновское излучение магнетара, зафиксированное IXPE, показало чрезвычайно высокую поляризацию. Направление этой поляризации оставалось выровненным с магнитным полем 1E1547, как и в случае с радиоволнами. Оба наблюдения считаются признаками возможного вакуумного двулучепреломления вокруг магнетара.

Лоуэр объяснил: «Из-за силы магнитного поля виртуальные частицы Гейзенберга выстраиваются вдоль направления поля. Тщательно отслеживая направление колебаний радиоволн и рентгеновских лучей по мере вращения магнетара, команда обнаружила, что выравнивание магнитных и вращательных полюсов 1E1547 было идеальным для обнаружения вакуумного двулучепреломления. С этими будущими данными и нашими обновленными симуляциями мы, возможно, наконец сможем завершить поиски, начатые Гейзенбергом почти 90 лет назад».

Необходимы дополнительные доказательства

Для окончательного подтверждения того, что сигналы действительно вызваны вакуумным двулучепреломлением, а не другими физическими процессами, потребуются дополнительные наблюдения и более совершенные компьютерные симуляции.

Если результат будет подтвержден, ученые получат мощный новый инструмент для проверки квантовой физики в одних из самых экстремальных условий во Вселенной. Это может помочь понять, как фундаментальные физические теории ведут себя в магнитных полях, значительно превышающих все, что достижимо на Земле.

Источники: sciencedaily.com, Universe Today