Foto: NASA/Pablo Garcia

Úvod do kvantové fyziky a magnetarů

Vědci z Swinburne University of Technology možná konečně dokázali, že „prázdný“ prostor není skutečně prázdný. Magnetické pole magnetaru mohlo odhalit kvantový efekt, který předpověděl Werner Heisenberg téměř před 90 lety, a který mění chování světla v zdánlivě prázdném prostoru. Pokud se tento objev potvrdí, mohl by nabídnout první přímý důkaz vakuové birefringence a otevřít nové okno do podivné fyziky kvantového vakua.

Autor původního článku: redakce

Magnetar a jeho vliv na světlo

Tento koncept umělce zobrazuje magnetar 1E 1547.0-5408, rychle rotující neutronovou hvězdu s magnetickými poli více než bilionkrát silnějšími než Země. Modré křivky vycházející z dvou magnetických pólů hvězdy představují magnetické siločáry. Magnetar je významným emitorem rádiového a rentgenového záření, jejichž vrcholy jsou posunuty během jeho 2,1sekundového rotačního období. To naznačuje, že primární rentgenový emitor je sekundární „horké místo“ posunuté od magnetické osy.

Astronomové možná našli některé z nejsilnějších důkazů pro jednu z nejpodivnějších předpovědí kvantové mechaniky: i zdánlivě prázdný prostor může ovlivnit způsob, jakým světlo cestuje. Tento jev, známý jako ‚vakuová birefringence‘, byl předpovězen téměř před 90 lety Wernerem Heisenbergem, jedním z průkopníků kvantové mechaniky. Jeho práce naznačila, že dokonalé vakuum není skutečně prázdné. Mělo by obsahovat ‚virtuální částice‘, které se krátce objevují a mizí.

Výzkum a pozorování

Výzkumníci, včetně Dr. Marcuse Lowera z Swinburne University of Technology, zkoumali tuto dlouhodobou kvantovou záhadu studiem magnetaru, vzácného typu neutronové hvězdy, která má nejsilnější známá magnetická pole ve vesmíru. Jejich pozorování mohou představovat první detekci vakuové birefringence vyskytující se v mimořádně silném magnetickém poli magnetaru. Pokud se potvrdí, výsledek by mohl vědcům poskytnout nový způsob, jak zkoumat kvantový vesmír. Zjištění byla nedávno publikována v časopise Nature.

Podle teorie může mimořádně silné magnetické pole ovlivnit moře virtuálních částic spojených s vakuem. Za těchto podmínek se očekává, že částice ovlivní, jak světlo cestuje, lámou ho specifickým způsobem a vytvářejí vakuovou birefringenci. Magnetary poskytují vzácnou příležitost hledat tento efekt, protože jejich magnetická pole jsou dostatečně silná, aby bylo možné pozorovat předpokládané kvantové chování.

Detekce a analýza

Dr. Lower byl součástí mezinárodního výzkumného týmu, který studoval magnetar 1E 1547.0-5408 (nebo zkráceně 1E1547) pomocí NASA’s Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE). Pozorování byla podpořena rentgenovým teleskopem NICER na palubě Mezinárodní vesmírné stanice a Murriyang, radioteleskopem Parkes CSIRO, který vlastní a provozuje australská národní vědecká agentura. Rádiová pozorování sesbíraná Dr. Lowerem pomocí Murriyang, následovaná analýzou na superpočítači Ngarrgu Tindebeek Swinburne, pomohla výzkumníkům zkoumat, co by mohlo být první přímou detekcí tohoto dříve teoretického kvantového jevu.

I když byla vakuová birefringence předpovězena ve 30. letech 20. století, Dr. Lower uvedl, že vědci dosud nezískali definitivní detekci. „Detekce vakuové birefringence vyžaduje magnetické pole, které je více než 100 milionkrát silnější než jakékoli, které jsme kdy vytvořili na Zemi. Naštěstí nám příroda poskytla magnetary, které jsou dokonalými kosmickými laboratořemi pro hledání tohoto efektu,“ řekl Dr. Lower.

Geometrie a výsledky

Výzkumníci pečlivě sledovali, jak se rádiové vlny přicházející z magnetaru mění směr, jak se hvězda otáčí (jejich ‚polarizační stav‘). Z těchto měření zjistili, že magnetické a rotační osy 1E 1547 jsou téměř zarovnány. Magnetar je také pozorován téměř z pohledu pólů. Tyto charakteristiky poskytují vědcům neobvykle příznivý pohled pro hledání vakuové birefringence kolem 1E 1547.

Tým poté našel dva důležité stopy směřující k kvantovému efektu. Rentgenové záření generované magnetarem a detekované IXPE ukázalo extrémně vysoké úrovně polarizace. Navíc směr této polarizace zůstal vázán na magnetické pole 1E1547 stejným způsobem, jaký byl viděn v rádiových pozorováních. „Díky síle magnetického pole se Heisenbergovy virtuální částice stávají zarovnanými se směrem, kterým pole ukazuje,“ řekl Dr. Lower.

Uzavření 90leté kvantové záhady

Pokud se interpretace potvrdí, výsledek by mohl pomoci fyzikům testovat, jak se zavedené teorie kvantové fyziky chovají za některých z nejextrémnějších podmínek nalezených kdekoli ve vesmíru. Dr. Lower uvedl, že další pozorování a pokročilejší počítačové simulace by mohly pomoci zjistit, zda signál skutečně pochází z vakuové birefringence. Tyto vylepšení by měly usnadnit výzkumníkům rozlišit předpokládaný kvantový podpis od jiných fyzikálních procesů probíhajících kolem magnetarů.

„S těmito budoucími daty po ruce a našimi aktualizovanými simulacemi bychom konečně mohli dokončit úkol, který začal Heisenberg téměř před 90 lety.“

Článek s názvem „Vacuum birefringence and the polarized X-ray emission of a radio magnetar“ byl publikován v časopise Nature.