Как пустота искажает свет: магнитар помог проверить гипотезу Гейзенберга 90-летней давности

Гейзенберг предположил, что в вакууме постоянно возникают и исчезают виртуальные частицы. Они не наблюдаются напрямую, но в присутствии экстремально сильного магнитного поля выстраиваются вдоль направления поля и преломляют проходящий свет особым образом. Проверить эту идею на Земле нельзя: нужное магнитное поле в сто миллионов раз сильнее любого, что человек создавал в лаборатории.

Такое поле есть у магнитаров — редкого типа нейтронных звёзд с самыми мощными магнитными полями в известной Вселенной. Команда астрономов, включая доктора Маркуса Лоуэра из Технологического университета Суинберна, наблюдала магнитар 1E 1547.0–5408 с помощью рентгеновского телескопа IXPE NASA, рентгеновского прибора NICER на Международной космической станции и радиотелескопа Мурриянг, которым владеет и управляет CSIRO — национальное научное агентство Австралии. Результаты опубликовали 5 августа в журнале Nature.

Учёные отслеживали, как меняется направление колебаний радиоволн магнитара — их поляризация — при вращении звезды. Оказалось, что магнитная и вращательная оси 1E 1547 почти совпадают, а Земля видит звезду практически со стороны полюса. Такое сочетание геометрии наблюдения и ориентации магнитного поля делает эту звезду удобным объектом для поиска эффекта Гейзенберга.

Команда нашла два признака, которые указывают на присутствие вакуумного двойного лучепреломления. Рентгеновское излучение, зафиксированное телескопом IXPE, показало очень высокий уровень поляризации, а направление поляризации совпало с ориентацией магнитного поля звезды — точно так же, как ведут себя радиоволны.

Лоуэр объясняет: из-за огромной силы магнитного поля виртуальные частицы Гейзенберга выстраиваются вдоль направления поля. Отслеживая, как колеблются радиоволны и рентгеновские лучи при вращении магнитара, команда обнаружила, что выравнивание магнитного и вращательного полюсов 1E 1547 идеально подходит для обнаружения этого эффекта.

Само открытие пока нуждается в подтверждении. Лоуэр говорит, что находку планируют проверить дополнительными данными и уточнёнными компьютерными симуляциями — они помогут отделить сигнал вакуумного двойного лучепреломления от других процессов, происходящих вокруг магнитаров. Часть анализа команда провела на суперкомпьютере Ngarrgu Tindebeek университета Суинберна.

Если результат подтвердят, у физиков появится способ проверять теории квантовой механики в одной из самых экстремальных сред Вселенной. Лоуэр надеется, что новые данные и обновлённые симуляции позволят завершить поиск, который начал Гейзенберг почти 90 лет назад.

Иллюстрация NASA/Pablo Garcia