Пустота космоса: загадка, которую может решить магнитная звезда

Недавнее исследование сигналов от мёртвой звезды ставит под сомнение представление о пустом пространстве, показывая, что оно не так пусто, как кажется. Ученые предоставили убедительные доказательства того, что экстремальные магнитные поля способны изменять свойства вакуума, заставляя его действовать как призма и изменяя путь света.

Исследование, возглавляемое Рэйчел Стюарт, аспиранткой физики в Университете Джорджа Вашингтона, подтверждает предсказание странного эффекта, выдвинутого 90 лет назад.

"Информация, которую мы получили, наблюдая за этим удалённым звездным ядром, также даёт нам подсказки о природе самой реальности, и это невероятно," — отметила Стюарт в своём заявлении.

Идея о том, что пространство никогда не бывает полностью пустым, восходит к 1936 году, когда немецкий физик Вернер Гейзенберг и его студент Ганс Эйлер предложили, что это "кипящее море" виртуальных частиц — электронов и их античастиц, позитронов — которые появляются и исчезают, взаимодействуя с окружающей средой.

Этот субатомный "пена" является следствием квантовой механики и остаётся невидимым в обычных условиях. Однако теория предсказывает, что крайне сильное магнитное поле, например, вокруг магнитара, может изменить движение света, заставляя его волны выравниваться в определённом направлении, в эффекте, известном как "вакуумная двойная рефракция".

"Для обнаружения вакуумной двойной рефракции требуется магнитное поле, более чем в 100 миллионов раз сильнее, чем любое, которое мы когда-либо создавали на Земле," — сказал соавтор исследования Маркус Лоуэр, астрофизик из Университета Суинберна в Австралии. "К счастью, природа предоставила нам магнитары, которые являются идеальными космическими лабораториями для поиска этого эффекта."

Магнитары представляют собой плотные остатки, оставшиеся после взрывов массивных звёзд, обладая самыми мощными магнитными полями, известными во Вселенной. Они являются одними из редких небесных объектов, способных генерировать поля, достаточно сильные для выявления вакуумной двойной рефракции, предоставляя учёным экстремальную среду для тестирования физических законов в условиях, невозможных для воспроизведения на Земле.

"Мы больше не просто изучаем астрономические объекты; мы используем их для проверки законов природы," — заявила соавтор исследования Микела Негро, астрофизик из Университета штата Луизиана.

Астрономы уже наблюдали за этим неуловимым феноменом ранее, но не с окончательной убедительностью. В 2017 году исследователи, использующие Очень большой телескоп в Чили, заметили признаки поляризации вокруг тусклой нейтронной звезды RX J1856.5-3754, находящейся примерно в 400 световых годах от Земли. Однако эти оптические измерения остались открытыми для интерпретации, отчасти из-за трудностей в изоляции оптического сигнала.

На тот момент учёные отметили, что окончательное доказательство потребует космических рентгеновских обсерваторий, в частности, ожидаемого в то время Имиджирующего рентгеновского поляриметра (IXPE) от NASA. Запущенный в 2021 году, IXPE оснащён тремя идентичными телескопами, предназначенными для измерения поляризации рентгеновских лучей высокой энергии.

"Только в последние шесть лет у нас действительно появился телескоп, способный обнаружить этот эффект вокруг магнитаров," — сказал Лоуэр.

В марте и апреле 2025 года исследователи направили IXPE на магнитар 1E 1547-5408, который вращается раз в две секунды и необычен среди своих сородичей за устойчивое излучение радиоволн. Команда дополнила эти данные наблюдениями с рентгеновского телескопа на борту Международной космической станции, а также радиотелескопа Муррианг в Австралии и Южноафриканской радионаблюдательной обсерватории.

Согласно исследованию, два наблюдения указывают на действие вакуумной двойной рефракции. Во-первых, рентгеновские лучи, зафиксированные IXPE, были почти в три раза более поляризованы, чем в аналогичных источниках, что намного превышает стандартные модели излучения поверхности нейтронной звезды. Во-вторых, поляризация указывала в том же направлении, что и магнитное поле звезды, совпадая с уже наблюдаемым шаблоном в её радиоволнах. Исследователи пришли к выводу, что эта комбинация оставляет вакуумную двойную рефракцию как единственное объяснение, соответствующее данным.

"Это немного успокаивает, потому что это означает, что наши теории все еще работают, и с физикой ничего не сломано," — сказал Лоуэр.

Для Фернандо Камила, главного учёного Южноафриканской радионаблюдательной обсерватории и соавтора новой статьи, это открытие завершает долгий путь. Камила изучает 1E 1547-5408 с 2007 года, когда он впервые обнаружил его радиоволны с помощью антенны Муррианг, выявив его скорость вращения в две секунды.

"На тот момент 1E 1547 был только второй магнитаром в Млечном Пути, известным своим излучением радиоволн, и мы были уверены, что регулярное наблюдение выявит интересное поведение," — отметил Камила. "Однако мы никогда не могли бы представить, что через 20 лет он будет способствовать исследованию фундаментального, и особенно странного, предсказания квантовой механики."

Команда надеется подтвердить это открытие с помощью данных будущих миссий, включая предложенную орбитальную миссию под названием GoSOX (сокращение от Globe Orbiting Soft X-ray Polarimeter), а также улучшенные компьютерные симуляции для различения сигнала вакуумной двойной рефракции от других процессов вокруг магнитаров.

"С этими будущими данными и нашими обновлёнными симуляциями мы, возможно, наконец, сможем завершить поиски, начатые Гейзенбергом почти 90 лет назад," — сказал Лоуэр.

Это исследование описано в статье, опубликованной 5 августа в журнале Nature.