Астрономы стали свидетелями необычного квантового свойства вакуума

Вакуумное двупреломление — это очень необычный квантовый феномен, наблюдавшийся только на атомном уровне. В теории он может происходить, например, возле нейтронных звезд. Благодаря наличию очень мощных магнитных полей, возле таких звезд могут хаотичным образом возникать области с появляющейся и исчезающей материей.

В 1930-х годах немецкие физики Вернер Гейзенберг и Ганс Генрих Ойлер вывели теорию, согласно которой намагниченный вакуум по отношению к проходящему сквозь него свету может вести себя как призма.

Совсем недавно ученые из итальянского Национального института астрофизики и Зеленогурского университета (Польша) стали свидетелями этого необычного свойства вакуума. Используя Очень Большой Телескоп (VLT) Европейской Южной обсерватории, ученые под руководством Роберто Мигнани провели наблюдение за звездой RX J1856.5-3754, находящейся в 400 световых годах от нас.

Нейтронные звезды, как правило, очень компактны, однако в десятки раз более массивны, по сравнению с нашим Солнцем. Благодаря этому они обладают очень мощными магнитными полями. Вакуум в обычном состоянии (по крайней мере согласно Эйнштейну и Ньютону) ничем себя не проявляет, и свет может распространяться через него без каких-либо изменений. Однако согласно квантовой электродинамике (QED), пространство заполнено бесконечно появляющимися и исчезающими виртуальными частицами. Очень мощные магнитные поля, например, те, которые обычно имеются возле нейтронных звезд, могут модифицировать свойства пространства.

Используя новое оборудование Очень Большого Телескопа в Чили, исследователи смогли провести наблюдение за нейтронной звездой в видимом спектре, фактически раздвинув границы существующих технологий наблюдений.

Исследование звезды RX J1856.5-375 показало наличие значительного уровня линейной поляризации (16 процентов), которую ученые интерпретировали как следствие эффекта вакуумного двупреломления.

«Высокий уровень поляризации, который мы отметили с помощью VLT, весьма сложно объяснить с помощью наших нынешних моделей, если только речь не идет об эффекте вакуумного двупреломления, предсказанного еще 80 лет назад квантовой электродинамикой», — говорит Мигнани.

По мнению Мигнани, благодаря будущим и более мощным телескопам ученые смогут больше узнать об этом необычном квантовом эффекте, наблюдая за другими нейтронными звездами.

«Проводимые измерения уровней поляризации с помощью телескопов нового поколения, например, того же Европейского Экстремально Большого Телескопа ESO (EELT), смогут сыграть ключевую роль в проверке предсказаний квантовой электродинамики в вопросе эффектов вакуумного двупреломления возле большинства нейтронных звезд», — отмечает ученый.

«Нынешние исследования впервые были проведены в видимом спектре. Дальнейшие наблюдения можно будет также вести и в рентгеновском диапазоне волн», — добавляет исследователь Кинва Ву.