กล้อง IXPE จับหลักฐานชัด! ‘ความว่างเปล่า’ โค้งงอแสงได้ ดาราจักรเป็นห้องทดลองแห่งจักรวาล

ค่าโพลาไรเซชันที่สูงผิดปกตินี้สามารถเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อ ‘vacuum birefringence’ ทำหน้าที่กรองโฟตอนรังสีเอกซ์ในขณะที่พวกมันเดินทางผ่านสนามแม่เหล็กรอบๆ ดาวมฤตยู โดยเลือกโหมดโพลาไรเซชันหนึ่งเหนืออีกโหมดหนึ่ง และเพิ่มค่าโพลาไรเซชันสุทธิให้สูงขึ้น

อะไรคือ vacuum birefringence?

ในสภาวะปกติ ความว่างเปล่าในอวกาศจะมีคุณสมบัติทางแสงที่เหมือนกันทุกทิศทาง (optically isotropic) นั่นคือแสงเดินทางแบบเดียวกันในทุกทิศทาง แต่ทฤษฎีพลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัม (QED) คาดการณ์ว่า ในสนามแม่เหล็กที่แรงมหาศาล สุญญากาศจะกลายเป็น ‘birefringent’ หรือมีคุณสมบัติหักเหแสงสองแนว กล่าวคือมันจะทำตัวเหมือนผลึกคริสตัล ซึ่งสามารถโค้งงอแสงแตกต่างกันไปตามทิศทางของโพลาไรเซชัน

ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเพราะคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอนเสมือน (virtual electron-positron pairs) ในสุญญากาศควอนตัมจะเกิดโพลาไรเซชันภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก ทำให้สุญญากาศมีพฤติกรรมเหมือนตัวกลางที่มีการหักเหสองแนว เอฟเฟกต์นี้ถูกเสนอขึ้นครั้งแรกโดยแวร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก (Werner Heisenberg) ในปี 1936 แต่ไม่เคยถูกสังเกตการณ์โดยตรงจนกระทั่งตอนนี้

ทำไมดาวมฤตยูถึงเป็นห้องทดลองที่สมบูรณ์แบบ

ดาวมฤตยู (Magnetars) เป็นวัตถุที่มีสนามแม่เหล็กแรงที่สุดในจักรวาล ด้วยความแรงของสนามแม่เหล็กที่สูงถึง 10¹⁴–10¹⁵ เกาส์ พวกมันสร้างสภาวะที่ไม่สามารถจำลองได้ในห้องทดลองบนโลก การสำรวจร่วมกันในครั้งนี้นับเป็นครั้งแรกที่มีการวัดโพลาไรเซชันของรังสีเอกซ์และคลื่นวิทยุของดาวมฤตยูพร้อมกัน ซึ่งทำให้ทีมสามารถตัดคำอธิบายอื่นๆ ที่เป็นไปได้ออกไปและยืนยันเรขาคณิตของแหล่งกำเนิดรังสี

มุมโพลาไรเซชันที่วัดโดย IXPE สอดคล้องกับแบบจำลอง rotating-vector ที่รวมผลของ vacuum birefringence เข้าไปด้วย และการสังเกตการณ์คลื่นวิทยุพร้อมกันจากกล้อง Parkes ก็ยืนยันเรขาคณิตของบริเวณที่ปล่อยรังสี

ความหมายต่อฟิสิกส์

การค้นพบนี้ถือเป็นการยืนยันโดยตรงทางดาราศาสตร์ครั้งแรกของปรากฏการณ์ vacuum birefringence ซึ่งเป็นเอฟเฟกต์ล้วนๆ ของ QED ที่ยังคงพิสูจน์ได้ยากจากการทดลองมาเป็นเวลาเกือบ 90 ปี ผลลัพธ์นี้เปิดหน้าต่างใหม่สู่การสำรวจคุณสมบัติควอนตัมของความว่างเปล่าในอวกาศภายใต้สภาวะที่รุนแรง โดยเปลี่ยนดาวมฤตยูให้กลายเป็นห้องทดลองทางธรรมชาติสำหรับทดสอบฟิสิกส์พื้นฐาน

นักวิจัยที่เกี่ยวข้อง รวมถึง Rachael Stewart จากมหาวิทยาลัย George Washington และ Hoa Dinh Thi จากมหาวิทยาลัย Rice เน้นย้ำว่าแนวทางการสังเกตการณ์แบบหลายความยาวคลื่นที่ประสานงานกันนั้นมีความสำคัญ การจำลองแสดงให้เห็นว่า เพื่อให้เป็นไปตามเงื่อนไขของทั้งรังสีเอกซ์และคลื่นวิทยุพร้อมกัน จะต้องมี vacuum birefringence เกิดขึ้นรอบๆ ดาวนิวตรอน

การตรวจจับนี้ยืนยันว่าความว่างเปล่านั้นไม่ได้ว่างเปล่าจริงๆ มันสามารถเกิดโพลาไรเซชันและเปลี่ยนแปลงการเดินทางของแสงได้ในรูปแบบที่ตรวจพบได้เฉพาะในสภาพแวดล้อมแม่เหล็กที่รุนแรงที่สุดในจักรวาลเท่านั้น และความสามารถนี้จะช่วยเป็นเครื่องมือใหม่สำหรับการสำรวจโครงสร้างควอนตัมของกาลอวกาศนั่นเอง