Космические лаборатории: как магнитары подтверждают квантовые эффекты в вакууме

Недавние наблюдения за сильно магнитной мертвой звездой предоставили самые убедительные доказательства существования странного квантового эффекта, который изменяет путь света в пустом пространстве. Это открытие, сделанное группой исследователей под руководством Рэйчел Стюарт из Университета Джорджии Вашингтона, подтверждает предсказание, сделанное 90 лет назад.

Пустота не так пуста

Согласно новому исследованию, пустое пространство не является таким уж пустым. В 1936 году немецкий физик Вернер Гейзенберг и его студент Ханс Эйлер предложили, что пространство никогда не бывает полностью свободным. Они утверждали, что это бурлящее море "виртуальных частиц" — электронов и их античастиц, позитронов, которые появляются и исчезают, взаимодействуя с окружающей средой. Это податомное "пена" является следствием квантовой механики и остается невидимой в обычных условиях.

Вакуумная бирефрингенция

Тем не менее, теория предсказывает, что очень сильное магнитное поле, например, вокруг магнитара, может изменить движение света, заставляя волны света более сильно выравниваться в определенном направлении. Этот эффект называется "вакуумной бирефрингенцией". По словам Маркуса Лоуэра, соавтора исследования и астрофизика из Университета Суинберна в Австралии, для обнаружения вакуумной бирефрингенции требуется магнитное поле, которое в 100 миллионов раз сильнее любого, которое когда-либо создавалось на Земле.

Магнитары как космические лаборатории

Магнитары — это плотные остатки, оставшиеся после взрывов массивных звезд, обладающие самыми мощными магнитными полями во Вселенной. Они являются редкими небесными объектами, способными генерировать поля, достаточно сильные, чтобы выявить вакуумную бирефрингенцию, предоставляя ученым экстремальную среду для тестирования физических законов в условиях, которые невозможно воспроизвести на Земле.

Наблюдения и результаты

Астрономы уже раньше наблюдали за этим ускользающим феноменом, но не с достаточной убедительностью. В 2017 году исследователи, использующие Очень большой телескоп в Чили, заметили признаки поляризации вокруг тусклой нейтронной звезды RX J1856.5-3754, находящейся примерно в 400 световых годах от Земли. Однако эти оптические измерения оставались открытыми для интерпретации. В марте и апреле 2025 года команда направила космический телескоп IXPE на магнитар 1E 1547-5408, который вращается раз в две секунды и необычен среди своих сородичей тем, что постоянно излучает радиоволны. Данные были дополнены наблюдениями с рентгеновского телескопа на борту Международной космической станции, а также радиотелескопа Murriyang в Австралии и Южноафриканской радионаучной обсерватории.

Доказательства вакуумной бирефрингенции

Согласно исследованию, два наблюдения указывают на то, что вакуумная бирефрингенция действительно имеет место. Во-первых, рентгеновские лучи, зарегистрированные IXPE, были почти в три раза более поляризованными, чем у аналогичных источников, что значительно превышает объяснения стандартных моделей излучения поверхности нейтронной звезды. Во-вторых, поляризация указывала в том же направлении, что и магнитное поле звезды, совпадая с уже наблюдаемым паттерном в радиоволнах. Эти данные оставляют вакуумную бирефрингенцию как единственное объяснение.

Долгий путь к открытию

Фернандо Камила, главный ученый Южноафриканской радионаучной обсерватории и соавтор новой статьи, отметил, что это открытие завершает долгий путь. Он начал изучать 1E 1547-5408 в 2007 году, когда впервые обнаружил его радиоволны, и не мог представить, что через 20 лет это приведет к исследованию фундаментального предсказания квантовой механики.

Будущее исследований

Команда надеется подтвердить свои находки с помощью данных будущих миссий, включая предложенную орбитальную миссию GoSOX (Globe Orbiting Soft X-ray Polarimeter), а также улучшенных компьютерных симуляций для различения сигнала вакуумной бирефрингенции от других процессов вокруг магнитаров. "С этими будущими данными и нашими обновленными симуляциями мы, возможно, наконец, сможем завершить квест, начатый Гейзенбергом почти 90 лет назад," — добавил Лоуэр. Это исследование описано в статье, опубликованной 5 августа в журнале Nature.