Όταν κοιτάζουμε τον έναστρο ουρανό, το διάστημα ανάμεσα στα αστέρια μάς φαίνεται απόλυτα άδειο και σιωπηλό. Στον κόσμο της σύγχρονης φυσικής, όμως, το απόλυτο «τίποτα» δεν υπάρχει, καθώς το κενό σφύζει από αόρατη δραστηριότητα και κρυμμένα μυστικά.
Μια νέα, συναρπαστική ανακάλυψη γύρω από ένα ακραίο αστρικό αντικείμενο έρχεται τώρα να επιβεβαιώσει ότι ακόμη και ο πιο άδειος χώρος μπορεί να λυγίσει τους νόμους του φωτός.
Αστρονόμοι που μελετούν ένα από τα πιο μαγνητικά αντικείμενα στο σύμπαν ανακάλυψαν μερικές από τις ισχυρότερες ενδείξεις μέχρι σήμερα για ένα παράδοξο φαινόμενο, το οποίο είχε προβλεφθεί από την κβαντική φυσική πριν από σχεδόν 90 χρόνια.
Το εύρημα υποδηλώνει ότι ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο μπορεί να μεταβάλει τον τρόπο με τον οποίο το φως ταξιδεύει μέσα στο κενό, ακόμη και όταν δεν υπάρχει καθόλου κανονική ύλη. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως «διπλοθλαστικότητα του κενού».
Προκύπτει από την Κβαντική Ηλεκτροδυναμική (QED), τη θεωρία που περιγράφει πώς αλληλεπιδρούν το φως και τα φορτισμένα σωματίδια. Ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ και ο Χανς Όιλερ προέβλεψαν αυτό το υποκείμενο φαινόμενο το 1936, προτείνοντας ότι αυτό που φαίνεται ως κενός χώρος μπορεί να συμπεριφερθεί διαφορετικά όταν εκτεθεί σε ένα εξαιρετικά ισχυρό μαγνητικό πεδίο.
Τα μάγναστρα μετατρέπουν το διάστημα σε ένα κβαντικό εργαστήριο
Στην κβαντική φυσική, το κενό δεν είναι απλώς ένα αδρανές σκοτάδι. Μπορεί να περιγραφεί ως ένα μεταβαλλόμενο περιβάλλον γεμάτο «εικονικά σωματίδια» που εμφανίζονται και εξαφανίζονται στιγμιαία. Υπό την επήρεια αρκετά ισχυρών μαγνητικών πεδίων, αυτές οι κβαντικές διακυμάνσεις αναμένεται να επηρεάσουν το φως ανάλογα με την πόλωσή του, προσδίδοντας ουσιαστικά στο κενό οπτικές ιδιότητες που ο κανονικός, άδειος χώρος δεν διαθέτει.
Το πρόβλημα ήταν να βρεθεί ένα περιβάλλον αρκετά ακραίο ώστε να αποκαλυφθεί αυτό το φαινόμενο. Η νέα μελέτη στράφηκε σε ένα μάγναστρο με την ονομασία 1E 1547.0–5408 (ή εν skorto 1E1547). Τα μάγναστρα είναι αστέρες νετρονίων, τα εξαιρετικά πυκνά υπολείμματα που μένουν πίσω μετά την έκρηξη ορισμένων μαζικών άστρων.
Συμπυκνώνουν τεράστιες ποσότητες ύλης σε ένα αντικείμενο που έχει μέγεθος μόλις όσο μια πόλη και διαθέτουν μαγνητικά πεδία που ξεπερνούν κατά πολύ οτιδήποτε μπορεί να διατηρηθεί σε ένα εργαστήριο. Τα επιφανειακά πεδία των μάγναστρων μπορούν να ξεπεράσουν τα 10^14 gauss.
Μια ισχυρή δοκιμή για τη διπλοθλαστικότητα του κενού
Αυτό τα καθιστά φυσικά εργαστήρια για τη μελέτη μιας φυσικής που είναι σχεδόν αδύνατο να αναπαραχθεί στη Γη. Μια διεθνής ομάδα, στην οποία συμμετέχει ο Δρ Μάρκους Λόουερ (Dr. Marcus Lower) από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Swinburne, εξέτασε το 1E1547 χρησιμοποιώντας τον δορυφόρο IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) της NASA.
Συνδύασαν αυτές τις μετρήσεις με παρατηρήσεις από το τηλεσκόπιο ακτίνων Χ NICER, το οποίο βρίσκεται στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, και το ραδιοτηλεσκόπιο Murriyang (το τηλεσκόπιο Parkes της CSIRO), το οποίο ανήκει και λειτουργεί υπό την εθνική επιστημονική υπηρεσία της Αυστραλίας.
Τα αποτελέσματα, τα οποία δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature, προσφέρουν μια νέα, καθοριστική δοκιμή για τη διπλοθλαστικότητα του κενού.
Η γεωμετρία του μάγναστρου αποκαλύπτει ένα κρίσιμο στοιχείο
Αντί να μετρήσουν απλώς πόσο λαμπερό φαινόταν το μάγναστρο, οι ερευνητές εξέτασαν την πόλωση της ακτινοβολίας του. Η πόλωση περιγράφει τον προσανατολισμό προς τον οποίο ταλαντώνεται ένα κύμα φωτός.
Εάν πράγματι συμβαίνει διπλοθλαστικότητα του κενού, το τεράστιο μαγνητικό πεδίο του μάγναστρου θα πρέπει να επηρεάζει αυτόν τον προσανατολισμό με έναν προβλέψιμο τρόπο καθώς η ακτινοβολία κινείται προς τα έξω.
Οι ραδιομετρήσεις έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στον προσδιορισμό της γεωμετρίας του μάγναστρου. Καταγράφοντας τον τρόπο με τον οποίο ταλαντωνόταν η κατεύθυνση των ραδιοκυμάτων (η «κατάσταση πόλωσής» τους) καθώς το 1E1547 περιστρεφόταν, οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ο μαγνητικός του άξονας και ο άξονας περιστροφής του είναι σχεδόν ευθυγραμμισμένοι.
Η Γη φαίνεται επίσης να βλέπει το άστρο σχεδόν απευθείας από την πλευρά του πόλου του. Αυτή η ασυνήθιστα ευνοϊκή γεωμετρία έδωσε στους επιστήμονες μια σχετικά καθαρή οπτική κατά μήκος του μαγνητικού πεδίου του μάγναστρου και κατέστησε το 1E1547 έναν ιδιαίτερα χρήσιμο στόχο για τη δοκιμή της κβαντικής πρόβλεψης.
Οι ακτίνες Χ προσέφεραν στη συνέχεια το πιο εντυπωσιακό κομμάτι του αποτελέσματος. Ο δορυφόρος IXPE εντόπισε εξαιρετικά ισχυρή πόλωση στις πιο ήπιες (χαμηλής ενέργειας) ακτίνες Χ του μάγναστρου.
Η μελέτη αναφέρει μια μέση πόλωση περίπου 65% στα 2 keV, ενώ σε ορισμένα σημεία κατά την περιστροφή του μάγναστρου η πόλωση μεταξύ 2 και 3 keV άγγιξε το 80%.
Η πόλωση των ακτίνων Χ προσφέρει εντυπωσιακές αποδείξεις
Εξίσου σημαντικό είναι ότι ο προσανατολισμός της πόλωσης των ακτίνων Χ ακολουθούσε το μαγνητικό πεδίο μεγάλης κλίμακας του μάγναστρου με τρόπο που συμβαδίζει με τις ραδιομετρήσεις.
Εξεταζόμενες μαζί, οι παρατηρήσεις αυτές είναι δύσκολο να εξηγηθούν με τα συμβατικά μοντέλα, στα οποία η ακτινοβολία απλώς εγκαταλείπει τον αστέρα νετρονίων και ταξιδεύει μέσα σε ένα ανεπηρέαστο κενό. Αντίθετα, τα μοντέλα που περιλαμβάνουν τη διπλοθλαστικότητα του κενού μπορούν να αναπαράγουν με φυσικό τρόπο αυτή τη συμπεριφορά.
Πλησιάζοντας στην επιβεβαίωση μιας κβαντικής πρόβλεψης 90 ετών
Οι παρατηρήσεις του Δρ. Λόουερ με το τηλεσκόπιο Murriyang και η επακόλουθη ανάλυση με τη χρήση του υπερυπολογιστή Ngarrgu Tindebeek του Πανεπιστημίου Swinburne συμβάλλουν, ως εκ τούτου, σε αυτό που ίσως αποτελεί τον πρώτο άμεσο εντοπισμό αυτού του προ πολλού προβλεπόμενου κβαντικού φαινομένου.
«Λόγω της ισχύος του μαγνητικού πεδίου, τα εικονικά σωματίδια του Χάιζενμπεργκ ευθυγραμμίζονται με την κατεύθυνση προς την οποία δείχνει το πεδίο», δήλωσε ο Δρ. Λόουερ. «Καταγράφοντας προσεκτικά την κατεύθυνση προς την οποία ταλαντώνονται τα ραδιοκύματα και οι ακτίνες Χ καθώς το μάγναστρο περιστρέφεται, η ομάδα διαπίστωσε ότι η ευθυγράμμιση του μαγνητικού και του περιστροφικού πόλου του 1E1547 ήταν ιδανική για τον εντοπισμό της διπλοθλαστικότητας του κενού».
Τι θα χρειαστεί για να επιβεβαιωθεί οριστικά η ανακάλυψη
Οι επιστήμονες κυνηγούν αυτό το φαινόμενο εδώ και δεκαετίες. Προηγούμενες αστρονομικές παρατηρήσεις είχαν προσφέρει ενδείξεις που συμβάδιζαν με τη διπλοθλαστικότητα του κενού, συμπεριλαμβανομένων μετρήσεων από έναν άλλον αστέρα νετρονίων και παλαιότερων παρατηρήσεων πολωμένων ακτίνων Χ σε μάγναστρα, ενώ εργαστηριακά πειράματα έχουν επίσης επιχειρήσει να ανιχνεύσουν άμεσα τη μαγνητική διπλοθλαστικότητα του κενού. Ωστόσο, μια οριστική μέτρηση παρέμενε άπιαστη.
Οι νέες παρατηρήσεις μειώνουν σημαντικά αυτό το κενό, αλλά οι ερευνητές δηλώνουν ότι η υπόθεση δεν έχει κλείσει ακόμη. Άλλες διεργασίες γύρω από τα μάγναστρα μπορούν επίσης να επηρεάσουν την πόλωση, καθιστώντας απαραίτητες τις επιπλέον παρατηρήσεις και τις πιο λεπτομερείς προσομοιώσεις, ώστε να διαχωριστούν αυτά τα φαινόμενα από το αποτύπωμα της διπλοθλαστικότητας του κενού.
Εάν αυτή η εργασία ενισχύσει την τρέχουσα ερμηνεία, το 1E1547 θα μπορούσε να προσφέρει αδιάψευστα αστροφυσικά δεδομένα που αποδεικνύουν ότι ακόμη και ο φαινομενικά κενός χώρος διαθέτει μετρήσιμες κβαντικές ιδιότητες.
«Έχοντας στα χέρια μας αυτά τα μελλοντικά δεδομένα και τις επικαιροποιημένες προσομοιώσεις μας, ίσως μπορέσουμε επιτέλους να ολοκληρώσουμε την αναζήτηση που ξεκίνησε ο Χάιζενμπεργκ πριν από σχεδόν 90 χρόνια».
