Vidul nu este chiar gol. Ce au reușit să observe oamenii de știință în jurul unui magnetar

Spațiul dintre stele pare gol. Fizica cuantică spune însă că vidul este mult mai complicat decât această imagine intuitivă. Un studiu publicat în Nature aduce noi indicii în acest sens. Cercetătorii au urmărit lumina provenită de la magnetarul 1E 1547.0-5408 și au identificat o polarizare extrem de puternică. Datele sunt compatibile cu birefringența vidului, un efect cuantic prezis în urmă cu aproape 90 de ani. Dacă interpretarea va fi confirmată, experimentul cosmic oferă o nouă fereastră către comportamentul materiei și luminii în câmpuri magnetice extreme.

Magnetarul, laboratorul imposibil de construit pe Pământ

Un magnetar este o stea neutronică cu un câmp magnetic extraordinar de puternic. Câmpurile de la suprafața acestor obiecte pot depăși 10¹⁴ gauss. Este un mediu imposibil de reprodus în laboratoarele terestre la asemenea intensități. Tocmai de aceea, magnetarii devin laboratoare naturale pentru fizica cuantică. Cercetătorii au ales magnetarul 1E 1547.0-5408. Obiectul se află la aproximativ 14.700 de ani-lumină de Pământ.

Mai important, geometria sa era favorabilă observației. Axa magnetică și axa de rotație sunt aproape aliniate, iar magnetarul este văzut aproape dinspre unul dintre poli. Această configurație le-a permis cercetătorilor să urmărească mai clar modul în care lumina este polarizată.

Ce este, de fapt, birefringența vidului

Termenul poate suna complicat, dar ideea poate fi explicată simplu. În anumite condiții extreme, câmpul magnetic poate modifica modul în care lumina se propagă prin ceea ce numim vid. În electrodinamica cuantică, vidul nu este descris ca un spațiu complet inert.

Predicția asociată cu Heisenberg și Euler arată că un câmp electromagnetic foarte puternic poate produce efecte cuantice asupra propagării luminii. Unul dintre acestea este birefringența vidului.

O analogie utilă este cea a unui material care separă lumina în funcție de direcția oscilației sale. În cazul studiat, „materialul” nu este o substanță obișnuită. Este vidul aflat într-un câmp magnetic extrem.

Lumina de la magnetar a oferit indiciul decisiv

Pentru observații, echipa a combinat date provenite de la mai multe instrumente. A fost folosit satelitul NASA IXPE, specializat în polarimetria razelor X. Cercetătorii au combinat aceste observații cu date de la telescopul NICER, instalat pe Stația Spațială Internațională, și cu radiotelescopul Murriyang al CSIRO, din Australia.

Rezultatul a fost remarcabil. Polarizarea razelor X a atins valori foarte mari. Studiul publicat în Nature indică valori medii de aproximativ 65% la energia de 2 keV. În anumite faze ale rotației, polarizarea din intervalul 2-3 keV s-a apropiat de 80%.

În același timp, polarizarea a rămas ridicată, de peste 40%, în timpul traversării fasciculului radio. Și mai important, direcția polarizării razelor X și cea a undelor radio au urmărit aceeași geometrie dictată de câmpul magnetic al magnetarului.

De ce este importantă polarizarea

Lumina nu înseamnă doar intensitate și culoare. Ea are și o direcție de oscilație, numită polarizare. Această proprietate poate funcționa ca o adevărată urmă a mediului prin care trece lumina. În cazul magnetarului, cercetătorii au observat că polarizarea razelor X este strâns legată de geometria câmpului magnetic. Modelul este compatibil cu propagarea influențată de birefringența vidului.

De aceea, observația este importantă pentru fizica cuantică. Ea testează electrodinamica cuantică într-un regim imposibil de atins în mod obișnuit pe Pământ.

Heisenberg a făcut predicția cu aproape 90 de ani în urmă

Fenomenul își are originea într-o predicție teoretică din anii 1930. Werner Heisenberg și Hans Heinrich Euler au descris consecințele teoriei cuantice asupra comportamentului câmpului electromagnetic. Problema era simplă: cum poți testa predicția?

Câmpurile magnetice necesare sunt atât de puternice, încât experimentele terestre nu pot reproduce condițiile unui magnetar. Potrivit cercetătorilor de la Swinburne, detectarea efectului ar necesita un câmp de peste 100 de milioane de ori mai puternic decât cele produse de oameni. Universul oferă însă astfel de câmpuri în apropierea magnetarilor. Așa a devenit o stea neutronică aflată la mii de ani-lumină un laborator pentru testarea unei teorii dezvoltate pe Pământ.

Este aceasta dovada că vidul nu există?

Nu chiar. Aceasta este cea mai importantă nuanță a descoperirii. Studiul din Science Daily spune că observațiile reprezintă un progres major în investigarea birefringenței vidului. Fenomenul rămâne însă o predicție care trebuie consolidată prin observații și analize suplimentare. Cercetătorii de la Swinburne spun explicit că datele viitoare și simulările îmbunătățite ar putea permite separarea mai clară a semnalului de alte procese care au loc în magnetari.

Prin urmare, nu este corect să spunem că experimentul a demonstrat că spațiul gol nu există. Mai corect este să spunem că observațiile oferă o dovadă puternică pentru un efect cuantic prin care vidul poate influența propagarea luminii în câmpuri magnetice extreme.

Un nou test pentru fizica cuantică

Dacă rezultatul va fi confirmat, implicațiile sunt importante. Birefringența vidului reprezintă una dintre predicțiile spectaculoase ale electrodinamicii cuantice. Observarea sa în jurul unui magnetar ar arăta că teoria continuă să descrie cu precizie comportamentul luminii chiar și în unele dintre cele mai extreme medii din Univers.

Cercetătorii au acum nevoie de mai multe observații și de modele teoretice mai precise. Paradoxal, pentru a afla cât de gol este vidul, oamenii de știință trebuie să privească spre cele mai extreme obiecte din Univers. Un magnetar aflat la aproape 15.000 de ani-lumină ar putea astfel să ofere răspunsul la o întrebare începută pe hârtie de Heisenberg acum aproape nouă decenii.