Пустота не так пуста: магнитное поле нейтронной звезды подтвердило эффект, предсказанный Гейзенбергом

Что обнаружила команда

Магнитар 1E 1547.0−5408 — это нейтронная звезда с магнитным полем порядка 10¹⁴–10¹⁵ Гаусс, что в миллиарды раз сильнее любого поля, достижимого на Земле . Наблюдения IXPE, проведённые с марта по апрель 2025 года, зафиксировали степень линейной поляризации 47,7% ± 2,9% в рентгеновском диапазоне 2–8 кэВ . Это примерно в три раза выше поляризации, измеренной у других магнитаров . Стандартные модели теплового излучения поверхности, которые обычно предсказывают поляризацию всего 15–20%, не могут объяснить такое значение .

Аномально высокая поляризация может быть получена только в том случае, если вакуумное двулучепреломление активно фильтрует рентгеновские фотоны, когда они распространяются через магнитосферу магнитара, выбирая одну моду поляризации за счёт другой и тем самым увеличивая чистую поляризацию .

Что такое вакуумное двулучепреломление?

В обычных условиях пустое пространство оптически изотропно — свет распространяется в нём одинаково во всех направлениях. Однако квантовая электродинамика (КЭД) предсказывает, что в чрезвычайно сильном магнитном поле сам вакуум становится двулучепреломляющим. Он ведёт себя как кристалл, по-разному преломляя свет в зависимости от направления его поляризации .

Этот эффект возникает из-за того, что виртуальные электрон-позитронные пары в квантовом вакууме поляризуются под действием магнитного поля, заставляя вакуум вести себя как двулучепреломляющая среда . Впервые этот эффект был теоретически предсказан Вернером Гейзенбергом в 1936 году, но до сих пор его не удавалось наблюдать напрямую .

Почему магнитар — идеальная лаборатория

Магнитары — самые магнитные объекты во Вселенной. С напряжённостью поля, достигающей 10¹⁴–10¹⁵ Гаусс, они создают условия, которые невозможно воспроизвести ни в одной земной лаборатории . Скоординированная наблюдательная кампания стала первым в истории одновременным измерением поляризации магнитара в рентгеновском и радиодиапазонах, что позволило команде исключить альтернативные объяснения и подтвердить геометрию источника .

Угол поляризации, измеренный IXPE, соответствовал моделям вращающегося вектора, учитывающим вакуумное двулучепреломление, а одновременные радионаблюдения с Паркса подтвердили геометрию области излучения .

Что это значит для физики

Это открытие знаменует собой первое прямое наблюдательное подтверждение вакуумного двулучепреломления — чистого КЭД-эффекта, который оставался экспериментально неуловимым в течение почти 90 лет . Результаты открывают новое окно в изучение квантовых свойств пустого пространства в экстремальных условиях, по сути превращая магнитары в естественные лаборатории для проверки фундаментальной физики .

Исследователи, участвовавшие в работе, в том числе Рэйчел Стюарт из Университета Джорджа Вашингтона и Хоа Динь Ти из Университета Райса, подчеркнули, что скоординированный многоволновой подход имел решающее значение. Моделирование показало, чтобы одновременно удовлетворить ограничениям, накладываемым рентгеновской и радио-поляризацией, вокруг нейтронной звезды должно присутствовать вакуумное двулучепреломление .

Обнаружение подтверждает, что вакуум не является по-настоящему пустым — он может поляризоваться и изменять распространение света способами, которые можно обнаружить только в самых экстремальных магнитных средах космоса. Эта возможность, в свою очередь, предоставляет новый инструмент для изучения квантовой структуры самого пространства-времени .