Космическое пространство принято считать практически пустым. Между звёздами действительно находятся огромные объёмы чрезвычайно разреженного вещества, однако современная физика показывает, что вакуум не является абсолютно бездеятельной пустотой. Квантовые эффекты могут изменять свойства пространства, и теперь астрономы получили одни из наиболее убедительных наблюдательных свидетельств этого явления.
Учёные исследовали магнетар 1E 1547-5408 — чрезвычайно магнитную нейтронную звезду — с помощью рентгеновского космического телескопа Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE). Анализ показал, что рентгеновское излучение объекта имеет необычно высокую степень поляризации, а направление поляризации согласуется с направлением его магнитного поля. Такое поведение соответствует эффекту, известному как вакуумное двулучепреломление
Если интерпретация результатов подтвердится дальнейшими наблюдениями, это станет важным подтверждением одного из предсказаний квантовой электродинамики, сформулированного ещё в 1936 году.
Пустота в квантовой физике не совсем пуста
В классической физике вакуум можно представить как область, где нет вещества.
Но квантовая физика предлагает более сложную картину.
Даже если из некоторого объёма пространства удалить все обычные частицы, квантовые поля не исчезают. Их невозможно полностью «выключить». Квантовый вакуум обладает собственными свойствами и может участвовать в физических процессах.
Одно из следствий такого поведения связано с квантовыми флуктуациями. В квантовой теории поля вакуумные флуктуации могут приводить к кратковременным изменениям состояния квантовых полей. Эти эффекты невозможно наблюдать как обычные свободно летящие частицы, но их влияние может проявляться в измеряемых физических величинах.
Именно такие квантовые свойства вакуума становятся особенно заметными в чрезвычайно сильных электромагнитных полях.
А магнетары как раз обладают магнитными полями, которые относятся к самым мощным из известных во Вселенной.
Что такое вакуумное двулучепреломление
Обычное двулучепреломление хорошо известно из оптики.
Когда свет проходит через некоторые материалы, например определённые кристаллы, его свойства зависят от направления распространения и ориентации электромагнитного поля. В результате различные компоненты света могут распространяться через материал по-разному.
Квантовая электродинамика предсказывает, что в чрезвычайно сильном магнитном поле похожее явление может происходить даже в вакууме.
То есть для возникновения эффекта не требуется обычный кристалл или другая материальная среда.
Само квантовое состояние вакуума под воздействием очень сильного магнитного поля становится своеобразной оптической средой.
Это и называют вакуумным двулучепреломлением.
Предсказание появилось почти век назад
Теоретические основы этого эффекта были заложены в 1936 году Вернером Гейзенбергом и Гансом Генрихом Ойлером.
Учёные показали, что сильное электромагнитное поле способно изменить свойства квантового вакуума.
На бытовом уровне это звучит парадоксально: если в пространстве нет вещества, почему свет должен вести себя иначе?
Ответ заключается в квантовой природе электромагнитного поля.
Сильнейшие магнитные поля могут влиять на квантовые флуктуации и тем самым изменять распространение электромагнитного излучения.
Однако лабораторные магнитные поля недостаточно сильны, чтобы легко увидеть этот эффект напрямую.
Поэтому астрономы обратились к объектам, которые сама природа превращает в гигантские лаборатории.
Магнетары — природные лаборатории экстремальной физики
Магнетар представляет собой разновидность нейтронной звезды.
Нейтронные звёзды образуются после смерти массивных звёзд, когда их центральная область сжимается до чрезвычайно высокой плотности. Масса, сопоставимая с массой Солнца, оказывается заключена в объекте размером порядка десятков километров.
Магнетары отличаются от обычных нейтронных звёзд особенно мощными магнитными полями.
Именно эти поля делают их уникальными объектами для проверки фундаментальных физических теорий.
Вблизи поверхности магнетара электромагнитные процессы протекают в условиях, которые невозможно воспроизвести на Земле в сопоставимом масштабе.
Поэтому наблюдение излучения магнетара позволяет проверять предсказания физики, которые иначе оставались бы исключительно теоретическими.
Объект 1E 1547-5408
В новом исследовании внимание было сосредоточено на магнетаре 1E 1547-5408.
Этот объект является источником мощного рентгеновского излучения.
Для изучения его излучения использовали IXPE — специализированную космическую обсерваторию NASA, предназначенную для измерения поляризации рентгеновских лучей.
Именно поляризация стала ключом к поиску вакуумного двулучепреломления.
Обычные изображения или даже измерения яркости объекта не позволяют непосредственно увидеть, как сильное магнитное поле изменяет свойства вакуума.
Поляризация даёт дополнительную информацию о состоянии электромагнитного излучения и его взаимодействии с окружающей средой.
Что такое поляризация света
Свет является электромагнитным излучением.
Электромагнитная волна имеет определённую ориентацию электрического и магнитного полей относительно направления её распространения.
Если ориентация электромагнитных колебаний преимущественно определённым образом упорядочена, излучение называют поляризованным.
В обычных источниках света направления поляризации могут быть смешаны.
Но физические процессы в сильных магнитных полях способны создавать характерные поляризационные свойства излучения.
Именно поэтому измерение поляризации позволяет получить информацию не только об источнике света, но и о физической среде, через которую распространяется излучение.
Почему именно рентгеновское излучение
Магнетары являются мощными источниками высокоэнергетического излучения.
Рентгеновский диапазон особенно важен для исследования процессов в непосредственной близости от нейтронной звезды.
IXPE был создан именно для того, чтобы измерять поляризацию рентгеновских источников.
Это принципиальное отличие от обычных рентгеновских телескопов, которые в первую очередь регистрируют положение, интенсивность и спектральные свойства источников.
Поляриметрия добавляет ещё одно измерение — ориентацию электрического поля рентгеновского излучения.
Что показали наблюдения
Рентгеновское излучение 1E 1547-5408 оказалось поляризовано значительно сильнее, чем ожидалось без учёта квантовых эффектов вакуума.
По данным исследования, степень поляризации была почти в три раза выше ожидаемого значения. Кроме того, направление поляризации оказалось связано с направлением магнитного поля магнетара.
Именно сочетание этих двух особенностей имеет принципиальное значение.
Высокая степень поляризации сама по себе ещё не является однозначным доказательством вакуумного двулучепреломления.
Но её величина и ориентация относительно магнитного поля соответствуют предсказаниям квантовой электродинамики для чрезвычайно сильного магнитного поля.
Как магнитное поле меняет вакуум
Вакуумное двулучепреломление связано с взаимодействием света с квантовыми флуктуациями электромагнитного поля.
При обычных условиях этот эффект настолько слаб, что практически незаметен.
Но рядом с магнетаром магнитное поле может быть настолько сильным, что квантовые эффекты становятся наблюдаемыми.
В результате различные компоненты рентгеновского излучения распространяются с различными эффективными показателями преломления.
Проходя через область сильного магнитного поля, свет приобретает характерную поляризацию.
Таким образом, исследователи используют свет магнетара как своеобразный зонд свойств вакуума.
Это не означает, что вакуум превращается в обычное вещество
Термин «вакуумная среда» может создавать неправильное впечатление.
Речь не идёт о том, что пространство возле магнетара заполняется обычным веществом.
Квантовые эффекты вакуума не означают появления плотной среды, состоящей из обычных частиц.
Меняются эффективные свойства распространения электромагнитного излучения вследствие квантовых процессов.
Поэтому пространство остаётся вакуумом в обычном смысле отсутствия обычного вещества, но его квантовые свойства становятся физически значимыми.
Виртуальные частицы здесь не следует представлять как маленькие объекты
В популярной литературе виртуальные частицы иногда описывают как частицы, которые постоянно возникают и исчезают в пустоте.
Такое описание удобно для первоначального знакомства с квантовой теорией, но оно может вводить в заблуждение.
В более строгом смысле виртуальные частицы являются элементами математического описания квантовых взаимодействий, а не обычными частицами, которые можно непосредственно зарегистрировать детектором.
В случае вакуумного двулучепреломления важен сам квантовый характер электромагнитного поля и его взаимодействие с сильным внешним полем.
Почему эффект почти невозможно увидеть на Земле
Магнитные поля, которые создаются в лабораториях, могут быть очень сильными.
Но магнитные поля магнетаров находятся в совершенно другом физическом диапазоне.
Именно поэтому космос предоставляет естественные условия для проверки подобных предсказаний.
Человечество фактически использует магнетар как природную установку для исследования квантовой электродинамики.
Вместо того чтобы создавать экстремальное поле на Земле, учёные наблюдают излучение объекта, который уже обладает необходимыми условиями.
Что делает результат особенно важным
Квантовая электродинамика является одной из наиболее хорошо проверенных физических теорий.
Она описывает взаимодействие электромагнитного поля с заряженными частицами и с чрезвычайно высокой точностью согласуется с многочисленными экспериментами.
Однако некоторые её предсказания крайне сложно проверить непосредственно.
Вакуумное двулучепреломление относится именно к таким эффектам.
Если наблюдения магнетара действительно подтверждают это явление, а последующие исследования дадут независимые подтверждения, астрономические наблюдения станут ещё одним способом проверки фундаментальной физики.
Магнитное поле магнетара действует как гигантский оптический эксперимент
Обычно оптические эффекты изучают в лаборатории.
Исследователь берёт материал с известными свойствами, направляет через него свет и измеряет результат.
В случае магнетара ситуация обратная.
Материала практически нет, зато присутствует чрезвычайно сильное магнитное поле.
Свет от нейтронной звезды проходит через область этого поля по пути к Земле.
Измеряя поляризацию излучения, астрономы могут судить о том, как сильное магнитное поле влияет на квантовые свойства вакуума.
Это делает магнетары уникальными природными лабораториями.
Почему важна ориентация поляризации
Не только степень поляризации имеет значение.
Направление поляризации относительно магнитного поля также содержит физическую информацию.
Если вакуумное двулучепреломление действительно происходит, распространение разных поляризационных компонент должно быть связано с конфигурацией магнитного поля.
Именно поэтому совпадение наблюдаемого направления поляризации с ожидаемой ориентацией магнитного поля является важным аргументом в пользу такого квантового объяснения.
Наблюдения 1E 1547-5408 дали именно такую картину.
Это решение 90-летней загадки?
Формулировка о «решённой 90-летней загадке» требует осторожности.
Теоретическое предсказание вакуумного двулучепреломления существует с 1936 года, но вопрос заключался в том, удастся ли получить убедительное экспериментальное или наблюдательное подтверждение эффекта.
Нынешний результат называют одним из наиболее сильных свидетельств в его пользу.
Однако в фундаментальной физике особенно важны независимые проверки.
Поэтому следующие наблюдения магнетаров и других объектов с экстремальными магнитными полями будут иметь большое значение.
Почему одного магнетара недостаточно для окончательной проверки
Любое астрономическое наблюдение приходится интерпретировать с учётом множества процессов.
На поляризацию рентгеновского излучения могут влиять не только свойства вакуума, но и плазма, геометрия магнитного поля, структура поверхности нейтронной звезды и особенности самого источника.
Поэтому необходимо исключить альтернативные объяснения.
Именно сочетание высокой поляризации и её ориентации относительно магнитного поля делает нынешний результат особенно интересным, но дальнейшие наблюдения остаются необходимыми.
IXPE расширил возможности рентгеновской астрономии
Космический телескоп Imaging X-ray Polarimetry Explorer был запущен для исследования поляризации рентгеновского излучения космических источников.
До появления специализированной космической обсерватории такие измерения были крайне сложными.
Поляризация позволяет исследовать магнитные поля, геометрию областей, где ускоряются частицы, и свойства экстремальной плазмы.
Теперь тот же метод позволяет использовать магнетары для проверки фундаментальной квантовой физики.
Это хороший пример того, как один тип астрономических наблюдений может одновременно решать задачи астрофизики и фундаментальной физики.
Нейтронная звезда — остаток погибшей звезды
Чтобы понять, почему магнетары обладают такими экстремальными свойствами, необходимо обратиться к их происхождению.
Массивная звезда в конце своей эволюции может взорваться как сверхновая.
После взрыва центральное ядро сжимается под действием собственной гравитации.
Если масса остатка находится в соответствующем диапазоне, образуется нейтронная звезда.
Вещество внутри такого объекта находится в состоянии, которое невозможно воспроизвести в обычных земных условиях.
Нейтронная звезда имеет огромную плотность и очень компактные размеры.
Магнетар — особенно экстремальная нейтронная звезда
Не каждая нейтронная звезда является магнетаром.
Главная отличительная особенность магнетаров — чрезвычайно сильное магнитное поле.
Энергия, связанная с этим полем, может определять значительную часть наблюдаемой активности объекта.
Магнетары способны испытывать мощные вспышки высокоэнергетического излучения.
Их магнитные поля настолько сильны, что физические процессы возле поверхности существенно отличаются от тех, которые происходят вокруг обычных звёзд.
Космос позволяет проверять физику в недостижимых условиях
На Земле физики могут создавать огромные магнитные поля, высокие температуры и экстремальные плотности энергии, но возможности лабораторных установок ограничены.
Нейтронные звёзды предоставляют природные условия, недостижимые во многих земных экспериментах.
Конечно, учёные не могут управлять магнетаром или менять параметры его поля.
Но они могут наблюдать результат.
Если предсказания теории правильно описывают поведение излучения вблизи такого объекта, это становится независимой проверкой физических законов в экстремальном режиме.
Что происходит со светом возле магнетара
Свет, покидающий поверхность нейтронной звезды, проходит через область чрезвычайно сильного магнитного поля.
При обычных условиях вакуум не должен заметно изменять поляризацию света.
Но квантовые эффекты становятся существенными при достаточно сильных полях.
В результате состояние поляризации может изменяться по мере распространения излучения.
Именно этот эффект исследователи пытаются зарегистрировать.
По сути, свет, приходящий от магнетара, несёт информацию о свойствах пространства, через которое он прошёл.
Почему это имеет отношение к фундаментальным законам природы
Физика строится на теориях, которые должны работать в широком диапазоне условий.
Большинство проверок квантовой электродинамики проводится в земных лабораториях.
Однако экстремальные астрофизические объекты позволяют проверить её в совершенно другом режиме.
Если теория правильно предсказывает поведение света рядом с магнетаром, это укрепляет уверенность в её универсальности.
Если же наблюдения в будущем обнаружат систематическое расхождение с предсказаниями, это может указывать на необходимость новой физики.
Поэтому подобные измерения имеют значение далеко за пределами исследования отдельных нейтронных звёзд.
Следующий шаг — наблюдать другие магнетары
Один из наиболее очевидных способов усилить вывод — провести аналогичные измерения других магнетаров.
Если разные объекты с различными характеристиками будут демонстрировать одинаковый тип поляризационного эффекта, интерпретация станет значительно надёжнее.
Особенно ценными будут наблюдения источников с различными геометриями магнитного поля и различными спектральными характеристиками.
Так можно проверить, соответствует ли наблюдаемая поляризация общему физическому механизму.
Будущие миссии смогут продолжить исследование
Для окончательной проверки эффекта необходимы дополнительные наблюдения.
В частности, рассматривается будущая миссия GoSOX, которая может предоставить новые возможности для исследования поляризации и связанных с ней процессов.
Расширение набора наблюдений позволит проверить результаты на других источниках и уменьшить влияние неопределённостей, связанных с конкретным магнетаром.
Открытие не означает, что пространство заполнено неизвестным веществом
Очень важно отделять наблюдаемый эффект от распространённого представления о «квантовом вакууме».
Учёные не обнаружили новый вид вещества между звёздами.
Не было найдено невидимое облако частиц, заполняющее пространство.
Было обнаружено изменение свойств света в условиях чрезвычайно сильного магнитного поля, которое согласуется с предсказаниями квантовой электродинамики.
Именно в этом заключается научная ценность результата.
Почему это интересно именно с точки зрения астрономии
Астрономия обычно изучает объекты, находящиеся на огромных расстояниях.
Но в данном случае объект наблюдения становится инструментом для изучения фундаментальных свойств самой физической реальности.
Магнетар находится далеко от Земли, однако его излучение позволяет исследовать процессы, происходящие в непосредственной близости от него.
При этом исследователей интересует не только сама звезда.
Через её свет они получают информацию о том, как ведёт себя пространство в сильнейшем магнитном поле.
Результат объединяет три области науки
В одном исследовании пересекаются астрофизика нейтронных звёзд, рентгеновская поляриметрия и квантовая электродинамика.
Астрофизика объясняет природу магнетара и его магнитного поля.
Рентгеновская астрономия позволяет зарегистрировать излучение.
Поляриметрия показывает его ориентационные свойства.
Квантовая теория предсказывает, каким образом экстремальное магнитное поле должно изменить распространение этого излучения.
Если все три компонента согласуются, астрономический объект превращается в инструмент фундаментального эксперимента.
Пустое пространство действительно оказалось сложнее, чем кажется
В повседневной жизни вакуум представляется отсутствием чего-либо.
Но квантовая физика уже давно показывает, что такое описание слишком упрощённо.
Вакуум обладает квантовыми свойствами, а сильные поля способны сделать некоторые из них наблюдаемыми.
Магнетар 1E 1547-5408 предоставил возможность проверить это непосредственно по свойствам рентгеновского излучения.
Наблюдаемая поляризация оказалась значительно выше ожидаемой без учёта квантовых эффектов и имела ориентацию, согласующуюся с магнитным полем объекта.
Что установлено, а что ещё предстоит доказать
На сегодняшний день наблюдения дают сильные свидетельства в пользу вакуумного двулучепреломления, но это не следует превращать в утверждение, будто все вопросы окончательно закрыты.
Необходимо провести дополнительные наблюдения, проверить другие магнетары и более тщательно отделить квантовый эффект от особенностей плазмы и магнитной геометрии конкретных объектов.
Именно независимые подтверждения превращают необычный астрономический результат в надёжную экспериментальную проверку фундаментальной теории.
Тем не менее нынешнее исследование стало важным этапом: спустя почти 90 лет после теоретического предсказания астрономы получили одно из наиболее убедительных свидетельств того, что чрезвычайно сильное магнитное поле действительно способно привести к тому, что даже вакуум проявляет свойства оптической среды.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
