Пустота преломляет свет: астрофизики подтвердили предсказание Гейзенберга спустя 90 лет

В классической физике вакуум принято считать абсолютной пустотой — пространством, где полностью отсутствует материя. В таком представлении световые волны проходят сквозь вакуум без какого-либо взаимодействия со средой: их скорость строго постоянна, а плоскость колебаний световой волны сохраняет исходную ориентацию. Если в пространстве нет атомов или молекул, свет распространяется прямолинейно и беспрепятственно.

Квантовая электродинамика описывает физический вакуум иначе. Согласно квантовой теории поля, пустота заполнена непрерывными квантовыми флуктуациями. В ней постоянно возникают и почти мгновенно аннигилируют короткоживущие виртуальные частицы — пары электронов и позитронов. Зафиксировать эти частицы напрямую стандартными детекторами невозможно из-за ничтожно малого времени их существования.

В слабых полях эти виртуальные процессы никак не сказываются на распространении света. Однако если создать магнитное поле экстремальной силы, виртуальные частицы начинают смещаться: электроны сдвигаются в одну сторону, а позитроны — в противоположную.

В результате само пустое пространство приобретает электрическую поляризацию. Направление движения и скорость световой волны в такой области начинают напрямую зависеть от того, под каким углом ее электрические колебания ориентированы относительно внешнего магнитного поля.

Это явление называют вакуумным двулучепреломлением. Свет с разным направлением колебаний перемещается в намагниченном вакууме с разной скоростью.

Физики Вернер Гейзенберг и Ганс Эйлер предсказали этот эффект математически в 1936 году, а Джулиан Швингер в 1951 году развил его в рамках квантовой теории поля. Тем не менее на протяжении почти девяноста лет эффект оставался сугубо теоретическим, поскольку в земных условиях невозможно получить магнитные поля достаточной напряженности.

Прямое подтверждение эффекта принесли масштабные астрономические наблюдения за нейтронной звездой 1E 1547.0−5408, проведенные международной группой ученых с помощью космических обсерваторий IXPE, NICER и наземного радиотелескопа Murriyang.

Предел Швингера и ограничения земных технологий

Чтобы поляризация вакуума начала заметно влиять на распространение электромагнитного излучения, внешнее магнитное поле должно превысить критический порог квантовой электродинамики — так называемый предел Швингера.

Этот предел составляет примерно 44 триллиона Гаусс (или 4,4 на десять в тринадцатой степени Гаусс). При достижении этого значения энергия взаимодействия электрона с внешним полем становится равной собственной энергии его массы покоя.

Для понимания масштаба величин:

• Магнитное поле Земли на поверхности составляет примерно половину Гаусса.
• Сильнейшие стационарные лабораторные электромагниты, созданные человеком, едва достигают 450 тысяч Гаусс.
• Самые мощные импульсные поля, генерируемые на доли секунды при помощи сверхмощных лазеров или резкого сжатия плазмы, доходят до десятков миллионов Гаусс.

Возможности наземной техники отстают от порога Швингера на несколько порядков. Однако в космосе существуют объекты, обладающие требуемой напряженностью поля — магнетары.

Это разновидность сверхплотных нейтронных звезд, образовавшихся после коллапса массивных звезд. При диаметре всего в 20-24 километра масса магнетара превышает массу Солнца.

В процессе сжатия вещества исходное магнитное поле звезды сжимается и усиливается до невероятных масштабов, достигая на поверхности значений от ста триллионов до квадриллиона Гаусс. В окрестностях таких объектов квантовые свойства вакуума проявляются в полной мере.

Наблюдательная цель: радиомагнетар 1E 1547.0−5408

Нейтронная звезда 1E 1547.0−5408 расположена на расстоянии около 14,5 тысяч световых лет от Земли. Объект делает один полный оборот вокруг своей оси за 2,09 секунды. Напряженность магнитного поля на экваторе этой звезды составляет 220 триллионов Гаусс, что в пять раз выше критического предела Швингера.

Среди десятков известных магнетаров этот объект выделяется редким свойством: он испускает не только мощное рентгеновское излучение, но и строго периодические радиовспышки. Абсолютное большинство магнетаров радиосигналов не генерирует.

Наличие радиоимпульсов позволило исследователям решить важнейшую задачу — точно определить пространственное положение звезды.

Радиоволны зарождаются на высоте около 700 километров над поверхностью магнетара вдоль открытых магнитных силовых линий над его магнитным полюсом. Анализируя изменение угла поляризации радиоволн во время вращения, исследователи восстановили ориентацию объекта в пространстве:

• Угол между осью вращения звезды и ее магнитной осью составляет всего 3,4 градуса.
• Угол между осью вращения и направлением на Землю равен 7,5 градуса.

Это означает, что магнетар направлен к земному наблюдателю практически вдоль своей оси вращения. Точное знание пространственных углов исключило геометрические погрешности и позволило перейти к анализу рентгеновских данных.

Программа скоординированных измерений

В марте и апреле 2025 года астрофизики провели масштабную серию одновременных наблюдений магнетара тремя независимыми научными комплексами:

1. Космический телескоп IXPE: специализированная орбитальная обсерватория NASA и Итальянского космического агентства, предназначенная для измерения поляризации мягкого рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 2 до 8 килоэлектронвольт. Телескоп фиксирует траектории фотоэлектронов, которые выбиваются рентгеновскими квантами в газовых камерах детекторов, определяя ориентацию электрического поля каждого отдельного фотона.
2. Рентгеновский прибор NICER: высокоточный спектрометр на борту Международной космической станции, регистрирующий интенсивность и спектр излучения в диапазоне от 0,5 до 12 килоэлектронвольт с временным разрешением до сотен наносекунд.
3. Радиотелескоп Murriyang: 64-метровая антенна обсерватории Паркс в Австралии. Для исследования использовались сигналы на частотах выше 2,5 гигагерц, что позволило исключить искажение данных ионизированным газом межзвездного пространства.

Синхронизация данных орбитальных приборов и наземного радиотелескопа позволила связать направление колебаний рентгеновских лучей с точными фазами вращения магнетара.

Физика поляризации и неожиданные результаты

Световая волна представляет собой колебания электрического и магнитного полей. Если направление электрических колебаний ориентировано преимущественно вдоль одной линии, такой свет называют линейно поляризованным.

Степень поляризации выражается в процентах: ноль процентов означает полное отсутствие преимущественного направления (хаотические колебания), а сто процентов указывает на то, что абсолютно все фотоны колеблются строго в одной плоскости.

Рентгеновское излучение магнетара 1E 1547.0−5408 формируется на его поверхности в области горячего пятна площадью около тринадцати квадратных километров, где температура плазмы достигает восьми миллионов градусов (энергия теплового излучения составляет около 0,72 килоэлектронвольта).

Поскольку горячее пятно занимает заметную часть поверхности шарообразной звезды, локальное магнитное поле на разных его участках направлено в разные стороны.

Согласно законам классической физики, не учитывающей свойства вакуума, свет от разных участков этого пятна должен смешиваться по пути к наблюдателю. Разнонаправленные колебания фотонов взаимно гасят друг друга, и на выходе расчетная степень поляризации не должна превышать 15-20 процентов.

Однако детекторы телескопа IXPE зафиксировали совершенно другие показатели:

• В диапазоне энергий от 2 до 3 килоэлектронвольт усредненная степень линейной поляризации составила 59 процентов (а по данным спектрального моделирования — 65 процентов).
• На определенных фазах вращения звезды уровень поляризации повышался до 82 процентов.
• Угол поляризации непрерывно и плавно менялся в такт вращению звезды, повторяя форму крупномасштабного магнитного диполя.

Такая высокая упорядоченность колебаний неопровержимо свидетельствовала: существует физический процесс, который выравнивает колебания всех вылетающих фотонов вдоль единого направления уже после того, как они покинули поверхность звезды.

Как вакуум управляет направлением колебаний света

Причина обнаруженного явления кроется в поведении электромагнитных волн внутри сверхсильного магнитного поля магнитосферы.

В таких условиях излучение разделяется на две нормальные моды:

1. Обыкновенная мода (О-мода): вектор электрического поля колеблется в плоскости, проходящей через направление движения кванта и вектор внешнего магнитного поля.
2. Необыкновенная мода (Х-мода): вектор электрического поля перпендикулярен этой плоскости.

Из-за поляризации виртуальных электрон-позитронных пар вакуум приобретает разные коэффициенты преломления для волн О-моды и Х-моды. В результате эти волны движутся с немного различающимися фазовыми скоростями и полностью теряют способность взаимодействовать или передавать энергию друг другу.

Пока фотон движется сквозь магнитосферу, его плоскость поляризации вынужденно следует за изгибом магнитных силовых линий звезды. Этот процесс называют адиабатическим переносом поляризации.

Он продолжается до так называемого радиуса фиксации поляризации, который расположен на расстоянии от тридцати до трехсот радиусов самой звезды (сотни и тысячи километров над ее поверхностью).

На такой высоте напряженность магнитного поля наконец падает ниже критических значений, коэффициенты преломления вакуума для обеих мод уравниваются, и плоскость колебаний световой волны окончательно фиксируется в пространстве.

В этой точке все фотоны, вылетевшие из разных точек горячего пятна, оказываются выстроены параллельно структуре общего магнитного поля на большом удалении от объекта. Вакуумная поляризация устраняет хаотическое смешение направлений, и излучение уходит в открытый космос высокополяризованным.

Вакуумный резонанс в атмосфере магнетара

Измерения космического поляриметра IXPE показали еще одну важную закономерность: степень поляризации резко падает в зависимости от энергии квантов. В интервале от 2 до 3 килоэлектронвольт она достигает 60 процентов, но при переходе к диапазону 3-4 килоэлектронвольт снижается до 37 процентов.

Этот спад прямо подтверждает еще одно предсказание квантовой электродинамики — существование вакуумного резонанса в тонкой водородной атмосфере магнетара.

В атмосфере нейтронной звезды на свет действуют два встречных фактора:

1. Ионизированная плазма: свободные заряженные частицы стремятся изменить параметры распространения света в одну сторону.
2. Квантовый вакуум: поляризованный вакуум под действием поля смещает эти параметры в строго противоположную сторону.

Поскольку эти вклады имеют противоположные математические знаки, на определенной характерной энергии они полностью компенсируют друг друга. В этой точке резонанса свойства О-моды и Х-моды уравниваются.

Фотоны получают возможность свободно переходить из одного состояния в другое. Переход фотонов между модами приводит к локальному разрушению упорядоченности колебаний и снижению суммарной поляризации.

Теоретические расчеты показывают, что для магнетара с полем 220 триллионов Гаусс этот резонансный спад должен приходиться на диапазон от 2 до 4 килоэлектронвольт, что совпадает с показаниями детекторов IXPE.

Численное моделирование и проверка результатов

Для строгой математической проверки наблюдательных данных авторы исследования провели серию симуляций переноса излучения методом Монте-Карло с помощью программного комплекса MAGTHOMSCATT.

Модель рассчитывала пути миллионов отдельных фотонов с учетом эффектов общей теории относительности:

• Гравитационного искривления траекторий световых лучей вблизи компактного объекта.
• Гравитационного красного смещения для звезды с массой 1,7 массы Солнца и радиусом 12 километров.

Ученые сопоставили экспериментальные параметры Стокса (числовые характеристики, описывающие поляризацию и интенсивность излучения) с результатами двух вариантов расчетов:

1. Модель без учета квантовых эффектов: вакуум считается оптически нейтральным.
2. Модель с учетом квантовой теории: вакуум обладает свойством двулучепреломления.

Результаты моделирования однозначно показали:

• Модель без учета вакуумного двулучепреломления не способна воспроизвести данные наблюдений. Из-за смешения фотонов расчетный сигнал теряет поляризацию, а ошибка расчетов превышает допустимые статистические границы более чем в 25 раз.
• Модель, учитывающая вакуумное двулучепреломление, показала статистическое соответствие наблюдениям на уровне 1,2 (значение, близкое к единице, указывает на совпадение в пределах нормальной статистической погрешности измерений).

Фундаментальное значение открытия

Наблюдения магнетара 1E 1547.0−5408 дают астрофизикам и физикам-теоретикам ряд важных выводов.

Во-первых, получено надежное экспериментальное подтверждение нелинейных оптических свойств вакуума в сверхсильных магнитных полях. Вакуум квантовой физики окончательно утвердился в статусе материальной среды, параметры которой зависят от внешних физических полей.

Во-вторых, новые данные опровергают альтернативные модели строения магнетаров. Ранее считалось, что низкая поляризация некоторых нейтронных звезд может быть вызвана наличием у них твердой конденсированной коры. Однако температура магнетара 1E 1547.0−5408 исключает конденсацию поверхности, доказывая, что характеристики излучения определяются именно квантовыми процессами в атмосфере и магнитосфере.

В-третьих, сформирован новый инструмент для исследования строения нейтронных звезд. Анализ рентгеновской поляризации позволяет реконструировать геометрию силовых линий и картировать области теплового излучения на поверхности компактных объектов, удаленных на десятки тысяч световых лет.

В перспективе повышение чувствительности орбитальных рентгеновских поляриметров (включая разрабатываемый проект GoSOX) позволит использовать магнетары для поиска гипотетических элементарных частиц за пределами Стандартной модели.

В частности, речь идет об аксионах — легких слабовзаимодействующих частицах, которые в сильных магнитных полях могут смешиваться с фотонами и вызывать характерные аномалии в поляризационных спектрах космических источников.

Источник: arXiv