Vedci možno vyriešili takmer 90 rokov starú záhadu kvantovej fyziky. Pomohol im extrémny magnetar
Vedci pri magnetare 1E 1547.0–5408 zachytili možný dôkaz vákuového dvojlomu, javu kvantovej fyziky predpovedaného už pred takmer 90 rokmi.
Vedci získali pozorovanie, ktoré môže vyriešiť takmer 90 rokov starú záhadu kvantovej fyziky. Pomohla im pri tom jedna z najextrémnejších hviezd vo vesmíre, magnetar. Jej magnetické pole dosahuje hodnoty, aké nedokážeme vytvoriť ani v najvýkonnejších laboratóriách na Zemi.
Medzinárodný tím astronómov vrátane Dr. Marcusa Lowera zo Swinburne University of Technology skúmal magnetar s označením 1E 1547.0–5408. Vedci využili najmä röntgenový teleskop NASA IXPE, pričom údaje doplnili pozorovaniami rádioteleskopu Murriyang a röntgenového teleskopu NICER na Medzinárodnej vesmírnej stanici.
Výsledky priniesli možné prvé priame pozorovanie javu, ktorý fyzici poznajú ako dvojlom vákua. Ak sa následné analýzy potvrdia, pozorovanie poskytne veľmi zaujímavý test kvantovej elektrodynamiky v prostredí, ktoré na Zemi nedokážeme napodobniť.
Čo sa deje s „prázdnym“ priestorom?
Na prvý pohľad sa môže zdať, že vákuum nemá s čím svetlo ovplyvniť. Podľa kvantovej fyziky však ani úplne prázdny priestor nie je taký jednoduchý. Kvantové polia v ňom umožňujú vznik a zánik takzvaných virtuálnych častíc. Tie síce nedokážeme priamo zachytiť ako bežné častice, no ich účinky sa môžu prejaviť v merateľných javoch.
Už v 30. rokoch 20. storočia Werner Heisenberg a ďalší fyzici predpovedali, že extrémne silné magnetické pole môže zmeniť vlastnosti vákua. V takom prípade môže vákuum ovplyvniť polarizáciu svetla podobne, ako niektoré materiály menia smer jeho kmitania. Práve tento jav dostal názov vákuový dvojlom.
Neprehliadni
Problém spočíval v tom, že na jeho pozorovanie potrebujeme magnetické pole absurdne silné. Na Zemi také podmienky nevytvoríme. Magnetary však ponúkajú prirodzené laboratórium priamo vo vesmíre.
„Na detekciu vákuového dvojlomu potrebujeme magnetické pole viac než 100-miliónkrát silnejšie, než aké sme kedy vytvorili na Zemi. Našťastie nám príroda poskytla magnetary, ktoré predstavujú ideálne kozmické laboratóriá na hľadanie tohto javu,“ vysvetlil Marcus Lower.
Magnetar ako kozmické laboratórium
Magnetar patrí medzi neutronové hviezdy. Takéto objekty vzniknú po kolapse masívnej hviezdy a disponujú obrovskou hustotou. Magnetary však medzi neutronovými hviezdami vynikajú ešte extrémnejším magnetickým poľom. Astronómovia preto obrátili pozornosť na 1E 1547.0–5408. Dôležitú úlohu pritom zohrala jeho geometria. Tím sledoval, ako sa pri rotácii magnetaru mení polarizácia rádiových vĺn. Polarizácia opisuje smer, v ktorom elektromagnetické vlnenie kmitá.
Analýza ukázala, že magnetická a rotačná os magnetaru sa nachádzajú takmer v jednej línii. Zároveň sa na objekt pozeráme takmer priamo od jeho pólu. Táto kombinácia vytvorila vhodné podmienky na hľadanie podpisu vákuového dvojlomu.
Vedci následne identifikovali dva dôležité signály. Röntgenové žiarenie zachytené teleskopom IXPE vykázalo mimoriadne vysokú polarizáciu. Zároveň smer tejto polarizácie súhlasil so smerom magnetického poľa magnetaru.
Práve táto zhoda predstavuje pre tím jeden z najzaujímavejších výsledkov. Ak extrémne magnetické pole skutočne mení vlastnosti vákua, môže sa to prejaviť práve v správaní polarizovaného žiarenia.
„Vďaka sile magnetického poľa sa Heisenbergove virtuálne častice zarovnajú so smerom magnetického poľa,“ uviedol Lower.
Astronómovia pritom zostávajú opatrní. Pozorovanie síce prinieslo veľmi silný kandidátsky signál, no okolie magnetarov predstavuje mimoriadne zložité prostredie. Na polarizáciu žiarenia môžu vplývať aj iné fyzikálne procesy a vedci ich musia odlíšiť od efektu, ktorý hľadajú.
Tím preto plánuje využiť ďalšie údaje a presnejšie počítačové simulácie. Práve tie môžu ukázať, či namerané vlastnosti žiarenia skutočne zodpovedajú vákuovému dvojlomu, alebo sa na výsledku podieľal iný proces.
Na analýze údajov sa podieľal aj superpočítač Ngarrgu Tindebeek na Swinburne University of Technology. Kombinácia nových pozorovaní a presnejších modelov tak môže v najbližšom období posunúť túto takmer 90 rokov starú fyzikálnu otázku o výrazný krok ďalej.
Ak sa výsledok potvrdí, astronómovia získajú nový spôsob, ako skúmať kvantové zákony v podmienkach, ktoré sa od pozemských laboratórií radikálne líšia. A práve magnetar 1E 1547.0–5408 môže ukázať, že aj priestor, ktorý na prvý pohľad vyzerá ako úplné nič, dokáže za extrémnych podmienok zmeniť spôsob, akým sa svetlo šíri.
