Магнетар помог увидеть эффект, предсказанный 90 лет назад: вакуум может изменять проходящий через него свет

Пустое пространство может оказаться гораздо менее пустым, чем кажется. Согласно квантовой физике, даже идеальный вакуум способен влиять на распространение света, если поместить его в чрезвычайно сильное магнитное поле. Эффект был предсказан еще в первой половине XX века, но получить его убедительное наблюдательное подтверждение чрезвычайно трудно. Теперь в роли гигантской природной лаборатории выступила одна из самых магнитных звезд во Вселенной.

Международная группа астрономов исследовала магнетар 1E 1547.0−5408 и обнаружила особенности поляризации его рентгеновского излучения, которые соответствуют ожидаемому проявлению вакуумного двулучепреломления. Результаты опубликованы 5 августа в журнале Nature и могут стать важным шагом к экспериментальной проверке квантовой электродинамики в условиях, которые невозможно создать в земной лаборатории.

Магнетары относятся к нейтронным звездам — сверхплотным остаткам массивных звезд после взрыва сверхновой. Типичная нейтронная звезда при массе, сравнимой с массой Солнца, имеет диаметр всего около нескольких десятков километров. Вещество в ней сжато до плотностей, недостижимых в обычных условиях.

Но главной особенностью магнетаров являются их магнитные поля. Они могут быть в триллионы раз сильнее магнитного поля Земли. В непосредственной близости от такой звезды привычное представление о пустом пространстве перестает работать даже на уровне наблюдаемых физических эффектов.

Чтобы понять значение нового результата, необходимо разобраться, что физики называют вакуумом. В классической физике вакуум можно представить как совершенно пустое пространство, в котором отсутствуют частицы. Квантоваятеория дает более сложную картину.

Квантовые поля существуют даже в состоянии с минимально возможной энергией. Поэтому вакуум обладает собственными физическими свойствами и способен участвовать в наблюдаемых процессах. Популярное объяснение часто описывает его как пространство, заполненное виртуальными частицами, которые непрерывно возникают и исчезают. Это удобная наглядная метафора некоторых квантовых расчетов, хотя буквальное представление о вакууме как о море постоянно рождающихся обычных частиц является упрощением.

Еще в 1930-х годах Вернер Гейзенберг и его коллеги исследовали, как сильные электромагнитные поля должны воздействовать на квантовый вакуум. Из уравнений следовало удивительное предсказание: при достаточно мощном магнитном поле вакуум начинает влиять на свет так, словно он является особой оптической средой.

Этот эффект получил название вакуумного двулучепреломления. В обычных условиях свет свободно распространяется через пустое пространство, однако экстремальное магнитное поле должно изменить свойства вакуума в зависимости от направления поляризации электромагнитной волны.

Подобное явление известно в классической оптике. В некоторых кристаллах свет с различной поляризацией распространяется по-разному, поскольку оптические свойства вещества зависят от направления. Луч может фактически разделяться на компоненты с различными характеристиками.

Но в случае вакуумного двулучепреломления никакого кристалла нет. Роль среды играет само квантовое пространство, измененное магнитным полем. Именно поэтому обнаружение эффекта представляет фундаментальный интерес: оно показывает, что вакуум обладает физической структурой, способной непосредственно воздействовать на наблюдаемый свет.

Проверить это на Земле чрезвычайно сложно. Для заметного проявления эффекта необходимы магнитные поля, намного превосходящие возможности современных лабораторных установок. Даже самые мощные созданные человеком магниты слишком слабы для простого наблюдения вакуумного двулучепреломления в условиях, сравнимых с окрестностями магнетара.

Космос решает эту проблему естественным образом. Магнетары создают поля такой интенсивности, что квантовые эффекты, практически незаметные на Земле, могут существенно влиять на проходящее через пространство излучение.

Для нового исследования астрономы наблюдали магнетар 1E 1547.0−5408, сокращенно 1E1547. Ключевую роль сыграла космическая обсерватория IXPE, предназначенная для измерения поляризации рентгеновского излучения. Дополнительные данные получили с помощью рентгеновского инструмента NICER на Международной космической станции и австралийского радиотелескопа Murriyang в обсерватории Паркс.

Поляризация показывает направление колебаний электромагнитной волны. Измеряя ее, ученые получают информацию не только о самом излучении, но и о физических условиях среды, через которую оно прошло.

Особенно важной оказалась геометрия 1E1547. Анализ радиосигналов показал, что магнитная ось магнетара почти совпадает с осью его вращения. Кроме того, с Земли мы наблюдаем систему почти со стороны магнитного полюса.

Это редкое сочетание делает объект исключительно удобным для проверки квантового эффекта. Зная геометрию магнитного поля, исследователи могут значительно точнее предсказать, как должна быть ориентирована поляризация излучения, если на него действительно воздействует вакуумное двулучепреломление.

В данных обнаружились два важных признака. Рентгеновское излучение магнетара оказалось чрезвычайно сильно поляризованным, а направление этой поляризации согласовывалось с геометрией магнитного поля, независимо установленной по радионаблюдениям.

Именно такого поведения можно ожидать, если свет при распространении через сверхсильное магнитное поле испытывает воздействие квантового вакуума. Магнитное поле словно задает пространству предпочтительное направление, а проходящее через него излучение сохраняет соответствующий поляризационный отпечаток.

Это особенно интересно потому, что рентгеновское и радиоизлучение возникают и распространяются по-разному. Возможность связать их поляризационные свойства с одной геометрией магнитного поля дает исследователям дополнительный инструмент для отделения фундаментального квантового эффекта от сложных процессов в атмосфере и магнитосфере нейтронной звезды.

Тем не менее ученые пока осторожны. Магнетар — далеко не идеальная лабораторная установка. Его поверхность, атмосфера, магнитосфера и потоки заряженных частиц сами по себе способны влиять на поляризацию света. Поэтому необходимо убедиться, что наблюдаемую картину нельзя полностью объяснить другими астрофизическими процессами.

Именно это отличает возможное обнаружение от окончательного доказательства. Наблюдения согласуются с вакуумным двулучепреломлением и могут представлять собой одно из наиболее убедительных свидетельств эффекта в сверхсильном магнитном поле, однако дальнейшие данные и более точные модели должны проверить альтернативные объяснения.

Дополнительные наблюдения IXPE и других телескопов позволят проследить изменение поляризации во времени и сравнить ее с более детальными моделями поверхности и магнитосферы магнетара. Чем точнее ученые смогут определить геометрию системы, тем надежнее станет проверка квантовой электродинамики.

Ценность магнетаров заключается именно в экстремальности их условий. Многие фундаментальные теории физики чрезвычайно хорошо проверены в земных лабораториях, но остаются вопросы о том, как они работают при полях, плотностях и энергиях, недостижимых на нашей планете.

Поэтому нейтронные звезды становятся своеобразными природными ускорителями и лабораториями. Они позволяют проверять физические законы в режимах, которые человечество пока не способно воспроизвести искусственно.

Если вакуумное двулучепреломление у 1E1547 будет окончательно подтверждено, результат станет эффектной демонстрацией одного из самых необычных следствий квантовой электродинамики. Пространство, которое в повседневной жизни мы называем пустотой, при экстремальных условиях окажется способным вести себя подобно веществу и изменять свойства проходящего через него света.

Почти девять десятилетий этот эффект существовал главным образом в уравнениях и чрезвычайно сложных попытках экспериментальной проверки. Теперь одна из самых необычных звезд Млечного Пути может помочь завершить проверку идеи, возникшей еще у основателей квантовой механики, и одновременно превратить далекий магнетар в лабораторию фундаментальной физики размером с небесное тело.