اخترشناسان ممکن است قویترین شواهد را برای یکی از عجیبترین پیشبینیهای مکانیک کوانتومی یافته باشند: حتی فضای به ظاهر خالی میتواند بر نحوه حرکت نور تأثیر بگذارد.
این پدیده که با نام «دوشکستی خلأ» (vacuum birefringence) شناخته میشود، نزدیک به ۹۰ سال پیش توسط ورنر هایزنبرگ، یکی از پیشگامان مکانیک کوانتومی، پیشبینی شد. کار او نشان میداد که خلأ کامل واقعاً خالی نیست. در عوض، باید حاوی «ذرات مجازی» باشد که به طور خلاصه ظاهر و ناپدید میشوند.
محققان، از جمله دکتر مارکوس لوور از دانشگاه فناوری سوینبرن، این معمای دیرینه کوانتومی را با مطالعه یک مگنتار، نوعی نادر از ستاره نوترونی که قویترین میدانهای مغناطیسی شناختهشده در جهان را دارد، بررسی کردند.
مشاهدات آنها ممکن است اولین تشخیص دوشکستی خلأ در میدان مغناطیسی فوقالعاده قدرتمند یک مگنتار باشد. اگر تأیید شود، این نتیجه میتواند راهی تازه برای بررسی جهان کوانتومی در اختیار دانشمندان قرار دهد. یافتهها به تازگی در مجله نیچر منتشر شده است.
بر اساس این نظریه، یک میدان مغناطیسی بسیار قوی میتواند بر دریای ذرات مجازی مرتبط با خلأ تأثیر بگذارد. در این شرایط، انتظار میرود که ذرات بر نحوه حرکت نور تأثیر بگذارند، آن را به روشی خاص شکست دهند و دوشکستی خلأ ایجاد کنند.
مگنتارها فرصتی نادر برای جستجوی این اثر فراهم میکنند، زیرا میدانهای مغناطیسی آنها به اندازهای قدرتمند هستند که رفتار کوانتومی پیشبینیشده را بالقوه قابل مشاهده میکنند.
دکتر لوور بخشی از یک تیم تحقیقاتی بینالمللی بود که مگنتار 1E 1547.0-5408 (یا به اختصار 1E1547) را با کاوشگر قطبشسنج پرتو ایکس تصویربرداری ناسا (IXPE) مطالعه کرد. این مشاهدات توسط تلسکوپ پرتو ایکس NICER در ایستگاه فضایی بینالمللی و تلسکوپ رادیویی مورینگ، متعلق به سازمان علمی ملی استرالیا (CSIRO)، پشتیبانی شد.
مشاهدات رادیویی جمعآوریشده توسط دکتر لوور با استفاده از مورینگ، و به دنبال آن تحلیل بر روی ابررایانه نگارو تیندبیک در دانشگاه سوینبرن، به محققان کمک کرد تا آنچه را که میتواند اولین تشخیص مستقیم این پدیده کوانتومی نظری باشد، بررسی کنند.
اگرچه دوشکستی خلأ در دهه ۱۹۳۰ پیشبینی شد، دکتر لوور گفت که دانشمندان هنوز به تشخیص قطعی دست نیافتهاند.
دکتر لوور گفت: «تشخیص دوشکستی خلأ به میدان مغناطیسی نیاز دارد که بیش از ۱۰۰ میلیون بار قویتر از هر چیزی باشد که تاکنون روی زمین ساختهایم. خوشبختانه، طبیعت مگنتارها را در اختیار ما قرار داده است، که آزمایشگاههای کیهانی کاملی برای جستجوی این اثر هستند.»
محققان از نزدیک نحوه تغییر جهت امواج رادیویی ساطعشده از مگنتار را هنگام چرخش ستاره (حالت «قطبش» آنها) دنبال کردند. از این اندازهگیریها، آنها تعیین کردند که محورهای مغناطیسی و چرخشی 1E 1547 تقریباً همراستا هستند. همچنین مگنتار از منظری تقریباً رو به قطب مشاهده میشود.
در مجموع، این ویژگیها نمای غیرعادی مطلوبی برای جستجوی دوشکستی خلأ در اطراف 1E 1547 در اختیار دانشمندان قرار میدهد.
سپس تیم دو سرنخ مهم را یافت که به اثر کوانتومی اشاره میکردند. پرتوهای ایکس تولید شده توسط مگنتار و شناساییشده توسط IXPE سطوح بسیار بالایی از قطبش را نشان دادند. علاوه بر این، جهت آن قطبش به همان شکلی که در مشاهدات رادیویی دیده شد، به میدان مغناطیسی 1E1547 وابسته باقی ماند.
دکتر لوور گفت: «به دلیل قدرت میدان مغناطیسی، ذرات مجازی هایزنبرگ با جهتی که میدان به آن اشاره میکند همراستا میشوند.»
«با ردیابی دقیق جهت نوسان امواج رادیویی و پرتوهای ایکس در حین چرخش مگنتار، تیم دریافت که همراستایی قطبهای مغناطیسی و چرخشی 1E1547 برای تشخیص دوشکستی خلأ ایدهآل است.»
اگر این تفسیر تأیید شود، نتیجه میتواند به فیزیکدانان کمک کند تا نحوه رفتار نظریههای تثبیتشده فیزیک کوانتومی را در برخی از شدیدترین شرایط موجود در جهان آزمایش کنند.
دکتر لوور گفت مشاهدات بیشتر و شبیهسازیهای کامپیوتری پیشرفتهتر میتواند به تعیین اینکه آیا سیگنال واقعاً از دوشکستی خلأ ناشی میشود کمک کند. این بهبودها باید تشخیص امضای کوانتومی پیشبینیشده را از سایر فرآیندهای فیزیکی در اطراف مگنتارها برای محققان آسانتر کند.
«با این دادههای آینده و شبیهسازیهای بهروز شده، ممکن است در نهایت بتوانیم مأموریتی را که هایزنبرگ نزدیک به ۹۰ سال پیش آغاز کرد، به پایان برسانیم.»
مقالهای با عنوان «دوشکستی خلأ و انتشار پرتو ایکس قطبیده یک مگنتار رادیویی» در مجله نیچر منتشر شده است.