Астрономи, можливо, щойно підтвердили один із найдивніших аспектів квантової механіки: те, що начебто порожній простір може змінювати поведінку світла. Явище, яке називається вакуумним двопроменезаломленням, вперше було передбачене майже 90 років тому Вернером Гейзенбергом, одним із засновників квантової механіки. Він припустив, що навіть ідеальний вакуум має бути насичений «віртуальними частинками», які миттєво з’являються й зникають.
Відкриття вакуумного подвійного заломлення променів
Астрономи, серед яких доктор Маркус Лоуер із Технологічного університету Свінберна, використали властивості магнетара — рідкісного типу нейтронної зорі з найпотужнішими магнітними полями у Всесвіті — для дослідження цієї «замороженої» квантової загадки.
Їхні спостереження дозволили відкрити те, що, ймовірно, є першим випадком виявлення вакуумного подвійного заломлення променів, яке відбувається у надпотужному магнітному полі магнетара, і може показати нові шляхи для дослідження квантового Всесвіту. Результати були опубліковані 5 серпня в журналі Nature.
Магнетари як квантові космічні лабораторії
Очікується, що в умовах надзвичайно потужного магнітного поля море віртуальних частинок Гейзенберга буде заломлювати світло певним чином, створюючи вакуумне двозаломлення. Лише магнетари мають магнітні поля, достатньо сильні, щоб зробити цей квантовий ефект помітним.
Доктор Лоуер входить до складу міжнародної групи, яка проводила спостереження за магнетаром, відомим як 1E 1547.0–5408 (або 1E1547), за допомогою апарата NASA Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) за підтримки рентгенівського телескопа NICER на Міжнародній космічній станції та радіотелескопа «Мурріянг» (Parkes) організації CSIRO, що належить і експлуатується національною науковою агенцією Австралії.
Спостереження доктора Лоуера, проведені за допомогою «Мурріянга», та подальший аналіз, здійснений на суперкомп’ютері Ngarrgu Tindebeek університету Свінберна, можуть стати першим прямим виявленням цього квантового ефекту, який раніше вважався суто теоретичним.
Лоуер зазначив, що, хоча це явище передбачили ще в 1930-х роках, безпосередньо виявити вакуумне двопроменезаломлення досі не вдавалося. «Для виявлення вакуумного двопроменезаломлення потрібне магнітне поле, яке більш ніж у 100 млн разів сильніше за будь-яке з тих, що ми коли-небудь створювали на Землі. На щастя, природа наділила нас магнетарами, які є ідеальними космічними лабораторіями для пошуку цього ефекту».
Майже ідеальна геометрія магнітного поля
Ретельно відстежуючи, як змінюється напрямок коливань радіохвиль, що випромінюються магнетаром (їхній «стан поляризації») під час його обертання, команда виявила, що магнітна та обертальна осі 1E 1547 майже збігаються, і об’єкт спостерігається майже під прямим кутом до полюса. Таке поєднання магнітної геометрії та геометрії спостереження робить 1E 1547 ідеальним об’єктом для пошуку вакуумного двопроменезаломлення.
Потім команда виявила дві характерні ознаки того, що навколо магнетара спостерігається вакуумне подвійне заломлення променів. З’ясувалося, що рентгенівське випромінювання, яке генерує магнетар і яке зареєстрував IXPE, має надзвичайно високий рівень поляризації, а напрямок поляризації збігається з магнітним полем 1E 1547, так само, як і у радіохвиль.
«Через силу магнітного поля віртуальні частинки Гейзенберга вирівнюються за напрямком, у якому спрямоване поле, — сказав доктор Лоуер. — Ретельно відстежуючи напрямок коливань радіохвиль та рентгенівського випромінювання під час обертання магнетара, команда виявила, що вирівнювання магнітних і обертальних полюсів 1E1547 було ідеальним для виявлення вакуумного двопроменезаломлення».
Дані ще потребують підтвердження
У разі підтвердження це відкриття допоможе краще зрозуміти, як теорії квантової фізики працюють в одному з найекстремальніших середовищ у Всесвіті.
Доктор Лоуер зазначив, що це важливе відкриття незабаром може бути підтверджене за допомогою додаткових даних та вдосконалених комп’ютерних моделювань, які дозволять краще відрізнити сигнал вакуумного двопроменезаломлення від інших процесів, що відбуваються навколо магнетарів. «Маючи у розпорядженні ці майбутні дані та наші оновлені моделювання, ми, можливо, нарешті зможемо завершити пошуки, розпочаті Гейзенбергом майже 90 років тому».
