Potwierdzono 90-letnią prognozę mechaniki kwantowej: pustka nie jest pusta

Tak wysoka polaryzacja może być wytworzona tylko wtedy, gdy próżniowa dwójłomność aktywnie filtruje fotony rentgenowskie podczas ich propagacji przez magnetosferę magnetara, wybierając jeden tryb polaryzacji kosztem drugiego i zwiększając w ten sposób wypadkową polaryzację .

Czym jest próżniowa dwójłomność?

W codziennych warunkach pusta przestrzeń jest optycznie izotropowa – światło rozchodzi się w niej tak samo we wszystkich kierunkach. Elektrodynamika kwantowa (QED) przewiduje jednak, że w ekstremalnie silnym polu magnetycznym próżnia sama staje się dwójłomna. Zachowuje się jak kryształ, załamując światło w różny sposób w zależności od kierunku jego polaryzacji .

Efekt ten powstaje, ponieważ wirtualne pary elektron-pozyton w próżni kwantowej polaryzują się pod wpływem pola magnetycznego, powodując, że próżnia zachowuje się jak ośrodek dwójłomny . Po raz pierwszy został on teoretycznie przewidziany przez Wernera Heisenberga w 1936 roku, ale do tej pory nigdy nie został bezpośrednio zaobserwowany .

Dlaczego magnetar jest idealnym laboratorium?

Magnetary to najbardziej magnetyczne obiekty we wszechświecie. O polach magnetycznych sięgających 10¹⁴–10¹⁵ Gaussów, stwarzają one warunki niemożliwe do odtworzenia w jakimkolwiek ziemskim laboratorium . Skoordynowana kampania obserwacyjna była pierwszym w historii jednoczesnym pomiarem polaryzacji rentgenowskiej i radiowej magnetara, co pozwoliło zespołowi wykluczyć alternatywne wyjaśnienia i potwierdzić geometrię źródła .

Kąt polaryzacji zmierzony przez IXPE był zgodny z modelami wirującego wektora (rotating-vector model), które uwzględniają próżniową dwójłomność, a jednoczesne obserwacje radiowe z Parkes potwierdziły geometrię obszaru emisji .

Co to oznacza dla fizyki?

To odkrycie stanowi pierwsze bezpośrednie potwierdzenie obserwacyjne próżniowej dwójłomności – czystego efektu elektrodynamiki kwantowej, który przez prawie 90 lat pozostawał poza zasięgiem eksperymentów . Wyniki otwierają nowe okno na kwantowe właściwości pustej przestrzeni w ekstremalnych warunkach, czyniąc z magnetarów naturalne laboratoria do testowania podstawowych praw fizyki .

Naukowcy zaangażowani w badania, w tym Rachael Stewart z George Washington University i Hoa Dinh Thi z Rice University, podkreślali, że kluczowe znaczenie miało skoordynowane, wielozakresowe podejście. Symulacje wykazały, że aby jednocześnie spełnić ograniczenia dotyczące polaryzacji rentgenowskiej i radiowej, wokół gwiazdy neutronowej musi występować próżniowa dwójłomność .

Wykrycie to potwierdza, że próżnia nie jest naprawdę pusta – może ulegać polaryzacji i zmieniać sposób propagacji światła w sposób, który jest wykrywalny tylko w najbardziej ekstremalnych magnetycznie środowiskach kosmosu. Ta zdolność z kolei dostarcza nowego narzędzia do badania kwantowej struktury samej czasoprzestrzeni .