Физики обнаружили аномальное поведение света в пустоте вблизи магнетара

Физическое пространство, кажущееся нам абсолютно пустым, на самом деле скрывает яркую квантовую жизнь. Международная группа исследователей под руководством Рэйчел Стюарт из Университета Джорджа Вашингтона получила убедительные на сегодняшний день доказательства того, что экстремальные магнитные поля могут изменить свойства космического вакуума. В таких условиях пустота начинает вести себя как призма, преломляя и заставляя проходящий через нее свет двигаться особым образом. Открытие, опубликованное в журнале Nature, подтверждает гипотезу, выдвинутую ровно 90 лет назад немецким физиком Вернером Гейзенбергом и его учеником Гансом Эйлером.

В 1936 году они предположили, что вакуум — это не безжизненная пустота, а «кипящий океан» виртуальных частиц (электронов и их антиподов — позитронов). Они постоянно рождаются и исчезают, оставаясь невидимыми в обычных условиях. Однако сверхсильное магнитное поле может внести порядок в этот субатомный хаос, вызывая эффект, известный как вакуумное двойное лучепреломление.

Идеальная космическая лаборатория «Чтобы уловить этот эффект, требуется магнитное поле, которое в 100 миллионов раз мощнее, чем все, что мы можем создать на Земле», — объяснил соавтор Маркус Лоуэр из Технологического университета Суинберна в Австралии.

Воссоздать такие условия в земных лабораториях невозможно, но ученым помогла сама Вселенная. На роль природных полигонов идеально подходят магнетары — сверхплотные остатки массивных звезд размером с большой город, обладающие самыми мощными магнитными полями в космосе.

Астрономы уже пытались запечатлеть это явление в 2017 году с помощью наземного Очень Большого Телескопа (VLT) в Чили, наблюдая за нейтронной звездой. Однако оптические сигналы с Земли были искажены атмосферой, и результаты остались противоречивыми. Окончательное доказательство стало возможным только после запуска в 2021 году космической рентгеновской обсерватории НАСА IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), способной с высокой точностью измерять поляризацию жесткого космического излучения.

Космическая лаборатория

Жесткое космическое излучение — это свет очень высокой энергии и мощности, который мы не можем увидеть глазами. Сюда входят рентгеновские лучи и гамма-лучи. В космосе его излучают экстремальные объекты, такие как черные дыры или мертвые звезды (магнетары). Поляризация — это свойство, показывающее, в какой плоскости колеблются световые волны.

Обычно свет звезд «хаотичен»: его волны колеблются сразу во всех направлениях (вверх и вниз, влево и вправо, по диагонали). Но когда излучение проходит через мощное магнитное поле, все его волны выстраиваются и начинают колебаться строго в одном направлении (например, только сверху вниз). Этот процесс упорядочения называется поляризацией.

Изучая это свойство, астрофизики смогут «увидеть» то, что невозможно сфотографировать с помощью обычного телескопа. Поляризация жестких лучей работает как цифровой отпечаток пальца: она позволяет нам точно определить силу магнитного поля звезды и понять, какие невидимые квантовые процессы происходят в пустом пространстве вокруг нее.

Проверка законов природы в космосе

Весной 2025 года исследователи направили телескопы IXPE на магнетар 1E 1547-5408, который вращается вокруг своей оси каждые две секунды. Полученные данные были подтверждены наблюдениями рентгеновского телескопа на МКС, австралийского радиотелескопа Мурриянг и Южноафриканской радиоастрономической обсерватории. Анализ выявил сразу два аномальных фактора.

Во-первых, зарегистрированные приборами рентгеновские лучи оказались поляризованными почти в три раза больше, чем предсказывали модели излучения поверхности нейтронных звезд. Во-вторых, направление этой поляризации точно совпадало с магнитным полем звезды и характером ее радиоволн. Физики пришли к выводу, что единственным объяснением такой аномалии является именно двойное лучепреломление вакуума.

В будущем авторы исследования планируют окончательно завершить работу, начатую Гейзенбергом. Этому должны помочь новые компьютерные симуляции и запуск перспективной орбитальной миссии GoSOX, которая позволит еще более детально изучить квантовую ткань нашей реальности.