Чи дійсно порожній космос є порожнім? Ця магнітна зірка може нарешті розгадати 90-річну загадку

Порожній космос виявляється не таким вже й порожнім.

Це основна ідея нового дослідження, яке аналізує сигнали від мертвої зірки, пропонуючи найсильніші докази того, що екстремальні магнітні поля можуть змінювати властивості вакууму, змушуючи здавалося б порожній простір діяти як призма і змінювати шлях, яким проходить світло.

Дослідження, яке очолила Рейчел Стюарт, аспірантка фізики в Університеті Джорджа Вашингтона, підтверджує прогноз дивного ефекту, вперше запропонованого 90 років тому.

"Отримана інформація про цей віддалений зірковий об'єкт також надає нам підказки про природу самого полотна реальності, якою ми її знаємо, і це вражає," – зазначила Стюарт.

Ідея бере свій початок у 1936 році, коли німецький фізик Вернер Гейзенберг та його учень Ганс Ейлер висунули припущення, що космос ніколи не є справжнім вакуумом. Вони стверджували, що це кипляче море "віртуальних часток" — електронів та їх антиматерних аналогів, позитронів — які з'являються та зникають, короткочасно взаємодіючи з навколишнім середовищем.

Ця субатомна піна є наслідком квантової механіки і залишається невидимою за звичайних умов. Проте теорія передбачає, що надзвичайно сильне магнітне поле, таке як у магнетарів, може змінювати рух світла, змушуючи його хвилі більш сильно орієнтуватися в певному напрямку в ефекті, відомому як "вакуумна біхроматичність".

"Виявлення вакуумної біхроматичності вимагає магнітного поля, яке в понад 100 мільйонів разів сильніше, ніж будь-яке, що ми коли-небудь створювали на Землі," – сказав співавтор дослідження Маркус Ловер, астрофізик з Університету Свінберна в Австралії. "На щастя, природа надала нам магнетари, які є ідеальними космічними лабораторіями для пошуку цього ефекту."

Магнетари — це щільні, розміром з місто, залишки, що залишилися після вибуху масивних зірок, які мають найпотужніші магнітні поля, відомі у Всесвіті. Вони є одними з рідкісних небесних об'єктів, здатних генерувати поля, достатньо сильні для виявлення вакуумної біхроматичності, що надає вченим екстремальне середовище для тестування фізичних законів в умовах, які неможливо відтворити на Землі.

"Ми більше не просто вивчаємо астрономічні об'єкти; ми використовуємо їх для перевірки законів природи," – зазначила співавторка дослідження Мікела Негро, астрофізик з Університету штату Луїзіана.

Астрономи раніше спостерігали за цим важкодоступним феноменом, але без переконливих доказів. У 2017 році дослідники, використовуючи Великий телескоп у Чилі, спостерігали ознаки поляризації навколо слабкої нейтронної зірки RX J1856.5-3754, яка розташована приблизно за 400 світлових років від Землі. Однак ці оптичні вимірювання залишалися відкритими для інтерпретації, частково через складнощі із ізоляцією оптичного сигналу.

На той час вчені зазначили, що остаточні докази вимагатимуть космічних рентгенівських обсерваторій, зокрема, майбутнього рентгенівського поляриметричного експлорера NASA (IXPE). Запущений у 2021 році, IXPE має три ідентичні телескопи, призначені для вимірювання поляризації рентгенівських променів високої енергії.

"Лише за останні шість років у нас дійсно з'явився телескоп, здатний виявити цей ефект навколо магнетарів," – розповів Ловер у коментарі для Michael West Media, незалежного новинного сайту в Австралії.

У березні та квітні 2025 року дослідники націлили IXPE на 1E 1547-5408, магнетар, який обертається раз на дві секунди і є незвичайним серед своїх родичів через постійне випромінювання радіохвиль. Команда доповнила ці дані спостереженнями з рентгенівського телескопа на борту Міжнародної космічної станції, а також з радіотелескопа Murriyang в Австралії та Південноафриканської обсерваторії радіоастрономії.

Згідно з дослідженням, два результати вказують на те, що вакуумна біхроматичність дійсно має місце.

По-перше, рентгенівські промені, виявлені IXPE, були майже в три рази більш поляризованими, ніж у подібних джерелах, що значно перевищує стандартні моделі поверхневого випромінювання нейтронної зірки. По-друге, поляризація вказувала в тому ж напрямку, що й магнітне поле зірки, збігаючись з уже спостереженим малюнком у її радіохвилях. Дослідники дійшли висновку, що ця комбінація залишає вакуумну біхроматичність єдиним поясненням, яке відповідає даним.

"Це певне полегшення, оскільки це означає, що наші теорії все ще працюють, і з фізикою нічого не зламано," – сказав Ловер у коментарі для новинного сайту Michael West Media.

Для Фернандо Каміло, головного науковця Південноафриканської обсерваторії радіоастрономії та співавтора нової статті, це відкриття завершує тривалий шлях. Каміло вивчає 1E 1547-5408 з 2007 року, коли вперше виявив його радіохвилі, використовуючи антену Murriyang, виявивши його двосекундний обертальний період.

"На той час 1E 1547 був лише другою магнетарою в Чумацькому Шляху, відомою своїм випромінюванням радіохвиль, і ми були впевнені, що регулярний моніторинг покаже цікаву поведінку," – зазначив Каміло. "Однак ми ніколи не могли уявити, що через 20 років він буде сприяти розслідуванню фундаментального і, особливо, незвичайного прогнозу квантової механіки."

Команда сподівається підтвердити ці знахідки даними з майбутніх місій, включаючи запропоновану орбітальну місію під назвою GoSOX (скорочено від Globe Orbiting Soft X-ray Polarimeter), разом з покращеними комп'ютерними симуляціями для розрізнення сигналу вакуумної біхроматичності від інших процесів навколо магнетарів.

"З цими майбутніми даними та нашими оновленими симуляціями ми, можливо, нарешті зможемо завершити пошук, розпочатий Гейзенбергом майже 90 років тому," – сказав Ловер у заяві університету Свінберна.

Це дослідження описано в статті, опублікованій 5 серпня в журналі Nature.