563
Астрономи отримали одні з найпереконливіших на сьогодні свідчень дивного квантового ефекту: те, що здається порожнім простором, може змінювати поведінку світла. Про це повідомляє SciTechDaily. Нові спостереження магнетара показують, що потужне магнітне поле здатне впливати на проходження світла навіть у вакуумі, де немає звичайної матерії.
Явище називається вакуумна двопроменезаломність. Його передбачає квантова електродинаміка (QED) — теорія, що описує взаємодію світла та заряджених частинок. Ще у 1936 році Вернер Гайзенберг (Werner Heisenberg) та Ганс Ейлер (Hans Euler) припустили, що «порожній» простір має поводитися інакше в присутності надзвичайно сильного магнітного поля.
Квантовий вакуум і роль магнетарів
У квантовій фізиці вакуум — це не просто порожнеча. Це середовище, де постійно виникають і зникають так звані віртуальні частинки. За теорією, за достатньо сильних магнітних полів ці квантові флуктуації мають впливати на світло залежно від його поляризації, тобто надавати вакууму оптичних властивостей, яких не має «звичайний» порожній простір.
Головна проблема полягала в тому, щоб знайти настільки екстремальні умови, де ефект стане помітним.
Розв’язанням стали магнетари — особливий різновид нейтронних зір, надщільних залишків вибухів масивних зір. Магнетари концентрують гігантську масу в об’єкті розміром із місто й мають магнітні поля, незрівнянно сильніші за будь-які, які можна створити в лабораторії. Магнітне поле на їхній поверхні може перевищувати 10^14 гаусів.
Як перевіряли вакуумну двопроменезаломність
Міжнародна команда, до якої увійшов Маркус Ловер (Marcus Lower) зі Свінбернського технологічного університету, вивчала магнетар 1E 1547.0–5408 (скорочено 1E1547). Для цього використали рентгенівський телескоп NASA Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), а також дані приладу NICER на борту Міжнародної космічної станції та радіотелескопа Murriyang — обсерваторії Паркс, що належить австралійському науковому агентству CSIRO.
Результати, зафіксовані в журналі Nature, стали потужним тестом передбачення вакуумної двопроменезаломності.
Замість того щоб оцінювати лише яскравість магнетара, дослідники ретельно вимірювали поляризацію його випромінювання — тобто орієнтацію, в якій коливається електромагнітна хвиля. Якщо вакуумна двопроменезаломність справді діє, надсильне магнітне поле магнетара повинно впливати на цю орієнтацію у передбачуваний спосіб, поки випромінювання рухається назовні.
Радіоспостереження виявилися ключовими для визначення геометрії 1E1547. Відстежуючи зміну стану поляризації радіохвиль у процесі обертання магнетара, команда дійшла висновку, що його магнітна вісь майже збігається з віссю обертання, а Земля спостерігає зорю майже «з полюсу».
Сильна поляризація рентгенівських променів
Така рідкісна геометрія дала змогу отримати максимально «чистий» погляд уздовж магнітного поля магнетара, зробивши 1E1547 ідеальною мішенню для перевірки квантового передбачення.
Рентгенівські дані стали найвражаючою частиною роботи. IXPE зафіксував винятково сильну поляризацію в м’якому рентгенівському діапазоні: середня поляризація на енергії близько 2 кеВ становила приблизно 65%, а в окремі фази обертання магнетара поляризація в діапазоні 2–3 кеВ підходила до 80%.
Не менш важливим виявилося те, що орієнтація рентгенівської поляризації слідувала конфігурації великомасштабного магнітного поля, яка була визначена з радіоспостережень. Сукупність цих даних важко пояснити стандартними моделями, де випромінювання просто залишає нейтронну зорю й проходить крізь незмінний вакуум. Натомість моделі, що враховують вакуумну двопроменезаломність, природно відтворюють спостережувану поведінку.
Крок до підтвердження 90-річного прогнозу
Спостереження Ловера з Murriyang і подальший аналіз на суперкомп’ютері Ngarrgu Tindebeek Свінбернського університету стали внеском у те, що може виявитися першим прямим спостереженням цього давно передбаченого квантового ефекту.
За словами дослідника, за рахунок неймовірно сильного магнітного поля «віртуальні частинки» у вакуумі вирівнюються вздовж напряму поля. А ретельне відстеження того, як змінюється напрямок коливань радіохвиль і рентгенівських променів під час обертання магнетара, показало, що вирівнювання магнітних і обертальних полюсів 1E1547 є майже ідеальним для виявлення вакуумної двопроменезаломності.
Вчені намагалися зафіксувати цей ефект десятиліттями. Попередні астрономічні спостереження інших нейтронних зір і магнетарів, а також лабораторні експерименти вже давали натяки, однак однозначного вимірювання досі не було.
Нові дані значно звужують цю прогалину, але дослідники наголошують, що справа ще не завершена. Інші процеси в оточенні магнетарів також можуть впливати на поляризацію, тому потрібні додаткові спостереження і більш детальне моделювання, щоб розділити їхній внесок і «чистий» сигнал вакуумної двопроменезаломності.
Якщо подальший аналіз підтримає нинішнє тлумачення, 1E1547 може стати переконливим астрофізичним доказом того, що навіть, на перший погляд, порожній простір має вимірювані квантові властивості. Тоді фізики опиняться на фінішній прямій у пошуку, який Гайзенберг започаткував майже 90 років тому.
Магнетар показав що «порожній» космос змінює світло з’явилася спочатку на Цікавості.
