Próżnia nie taka pusta. Po 90 latach mamy dowód

Gdy z przestrzeni usuniemy materię, nie zostaje po prostu idealne nic. Fizycy przewidzieli to już 90 lat temu, ale przez dekady brakowało przede wszystkim obserwacji, która pokazałaby efekt wystarczająco wyraźnie. Teraz pomógł magnetar 1E 1547.0-5408 – jeden z najbardziej namagnesowanych obiektów we Wszechświecie.

W szkole uczyliśmy się, że próżnia jest pustą przestrzenią. Nie ma w niej atomów, cząsteczek powietrza ani materiału, przez który miałoby przechodzić światło. Elektrodynamika kwantowa opisuje jednak to znacznie ciekawiej.

Pole elektromagnetyczne nawet w stanie najniższej energii podlega kwantowym fluktuacjom. Można je obrazowo opisywać jako krótkotrwałe pojawianie się i znikanie wirtualnych par cząstek i antycząstek. Nie są to zwykłe cząstki swobodnie latające w pustej przestrzeni, lecz sposób opisywania oddziaływań zachodzących w polach kwantowych.

W normalnych warunkach trudno zauważyć ich wpływ. Sytuacja zmienia się jednak, gdy pojawia się niewiarygodnie silne pole magnetyczne. W 1936 r. Werner Heisenberg i Hans Euler przewidzieli, że może ono zmieniać właściwości próżni w taki sposób, że światło o różnych kierunkach polaryzacji będzie rozchodziło się przez nią nieco inaczej. Zjawisko nazwano dwójłomnością próżni.

Dwójłomność znamy z normalnych materiałów. W niektórych kryształach światło może rozdzielić się na dwie składowe poruszające się trochę inaczej. W przypadku przewidywanego efektu kwantowego podobną rolę ma odegrać coś, co na pierwszy rzut oka nie jest żadnym materiałem – sama próżnia znajdująca się w ekstremalnym polu magnetycznym.

Problem w sprawdzeniu tej teorii jest tak naprawdę bardzo prozaiczny. Przede wszystkim potrzeba absurdalnie silnego pola magnetycznego. Nie umiemy wytworzyć na Ziemi warunków, w których efekt byłby łatwy do zmierzenia. Pole potrzebne do takich obserwacji musiałoby być ponad 100 mln razy silniejsze od pól osiąganych przez człowieka. Wszechświat zbudował jednak takie laboratoria za nas.

Magnetary są szczególnym rodzajem gwiazd neutronowych – niezwykle gęstych pozostałości po masywnych gwiazdach, które zakończyły życie eksplozją supernowej. W obiekcie wielkości miasta może znaleźć się masa większa od masy Słońca. Do tego magnetary mają najsilniejsze znane pola magnetyczne wśród obiektów astronomicznych. Na powierzchni przekraczają one 10^14 gausów.

Jednym z takich obiektów jest 1E 1547.0-5408. Obraca się wokół własnej osi mniej więcej raz na 2 sekundy i (co jest rzadkością wśród magnetarów) jest również wyraźnym źródłem fal radiowych. Ta ostatnia cecha okazała się niezwykle cenna.

W marcu i kwietniu 2025 r. magnetar był obserwowany przez ponad 140 godz. za pomocą kosmicznego obserwatorium IXPE. Równolegle pracowały teleskop NICER znajdujący się na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej oraz radioteleskop Murriyang w australijskim Parkes. Był to pierwszy przypadek, gdy polaryzację magnetara badano jednocześnie tak dokładnie w falach radiowych i promieniowaniu rentgenowskim.

Polaryzacja opisuje uporządkowanie drgań fali elektromagnetycznej. Jeżeli światło jest silnie spolaryzowane, duża część docierających fotonów zachowuje określoną orientację. IXPE zobaczył coś niezwykłego. Przy energii około 2 keV stopień polaryzacji promieniowania rentgenowskiego osiągał średnio około 65 proc. W niektórych fazach obrotu magnetara w zakresie 2-3 keV dochodził niemal do 80 proc.

To znacznie więcej, niż łatwo wyjaśnić samym promieniowaniem emitowanym z powierzchni gwiazdy neutronowej. Co więcej, wraz ze wzrostem energii do około 4 keV poziom polaryzacji mocno spadał.

Drugi element układanki przyniosły natomiast obserwacje radiowe. Pozwoliły dokładniej określić ustawienie osi obrotu i pola magnetycznego 1E 1547.0-5408. Kierunek polaryzacji promieniowania rentgenowskiego zmieniał się razem z obrotem gwiazdy właśnie tak, jak powinien, jeśli światło podczas podróży przez magnetosferę pozostaje pod wpływem dwójłomności próżni.

Badacze nie poprzestali jednak tylko na stwierdzeniu, że wysoka polaryzacja wygląda ciekawie. Zbudowali modele opisujące powierzchnię magnetara, gorący obszar odpowiedzialny za promieniowanie oraz geometrię pola magnetycznego. Następnie porównali dwa warianty: taki, w którym światło przechodzące przez magnetosferę podlega dwójłomności próżni, oraz taki, w którym efekt jest wyłączony.

Najlepiej z obserwacjami zgadzały się modele uwzględniające efekt kwantowy. Bez niego trudno było jednocześnie odtworzyć poziom polaryzacji promieniowania rentgenowskiego i zachować ograniczenia wynikające z obserwacji radiowych.

Właśnie dlatego mówimy dziś o najmocniejszych dotąd dowodach na występowanie dwójłomności próżni w naturze. Nie oznacza to jeszcze, że fizycy całkowicie zamknęli sprawę. Autorzy sami wskazują, że potrzebne będą kolejne obserwacje i dokładniejsze modele, które pozwolą jeszcze skuteczniej oddzielić ten efekt od innych procesów zachodzących wokół magnetara.

Wcześniejsze wskazówki już się pojawiały. W 2017 r. badania gwiazdy neutronowej RX J1856.5-3754 wykazały silną polaryzację światła widzialnego, która również pasowała do przewidywań elektrodynamiki kwantowej. Interpretacja nie była jednak jednoznaczna. Tym razem jednak argumentów jest znacznie więcej.

IXPE trafił w przestrzeń kosmiczną pod koniec 2021 r. Jak pisaliśmy wtedy na Spider’s Web, jego specjalnością jest mierzenie polaryzacji promieniowania rentgenowskiego. Już przed startem na liście potencjalnych celów znajdowały się magnetary, pulsary i czarne dziury – miejsca, w których można badać fizykę niemożliwą do odtworzenia w ziemskim laboratorium. Teraz ta możliwość przyniosła jeden z najciekawszych wyników misji.

Nie chodzi bowiem tylko o lepsze poznanie pewnej nieznanej dotąd gwiazdy neutronowej. Magnetar został wykorzystany jak ogromne naturalne urządzenie laboratoryjne do sprawdzenia podstawowego przewidywania elektrodynamiki kwantowej.

Przeczytaj także:

Jeżeli kolejne obserwacje potwierdzą obecną interpretację, będzie to niezwykły przypadek, w którym obiekt oddalony o tysiące lat świetlnych pozwolił zbadać właściwość czegoś znajdującego się również tuż przed naszym nosem. Próżnia nie jest biernym tłem dla materii i światła. W odpowiednio ekstremalnych warunkach sama zaczyna uczestniczyć w tym, co obserwujemy.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI