En av de märkligaste aspekterna av kvantmekaniken ses vid en magnetar

 

Bild https://www.swinburne.edu.au

Astronomer kan nyligen ha bekräftat en av de mest udda aspekterna av kvantmekaniken: att ett till synes tomt rum kan förändra ljusets beteende. Bild tillhandahållen via NASA.

Fenomenet kallas 'vakuumdubbelbrytning', och förutspåddes för nästan 90 år sedan av Werner Heisenberg en av kvantmekanikens grundare. Han föreslog även att ett perfekt vakuum borde vara fullt av 'virtuella partiklar' som snabbt dyker upp och försvinner igen.

Astronomer, bland annat Dr Marcus Lower vid Swinburne University of Technology i Australien använde egenskaperna hos en magnetar en sällsynt typ av neutronstjärna med universums starkaste magnetfält till att studera nedkylda kvantbitar. 

Citerat från wikipedia "En magnetar är en neutronstjärna med ett onormalt starkt magnetfält, cirka 1000 gånger starkare än hos en vanlig neutronstjärna. En neutronstjärna är ett av flera möjliga slut för en stjärna. När en stjärna i slutet av sitt liv stöter bort sina yttre lager inträffar en gravitationskollaps då stjärnans kvarvarande inre delar imploderar. Om stjärnan är så stor att den kvarvarande massan motsvarar 1,4–3 solmassor övergår den till en supernova. Återstoden blir en neutronstjärna som består av tätt packade neutroner och övrigt material bestående av utspridda rester från supernovan".

Deras observationer avslöjade vad som kan vara den första upptäckten av vakuumdubbelbrytning i en magnetars ultrastarka magnetfält och kan öppna nya vägar för att utforska kvantuniversum. I närvaro av ett extremt kraftfullt magnetfält förväntas ett hav av Heisenbergs virtuella partiklar bryta ljus på specifika sätt och skapa vakuumdubbelbrytning. Endast magnetaren har magnetfält som är tillräckligt starkt för att göra denna kvanteffekt synlig.

Dr Lower var en  av medlemmarna i de internationella teamet som observerade en magnetar med namnet  1E 1547.0–5408 med hjälp av NASAs Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), med stöd av NICER-röntgenteleskopet på den internationella rymdstationen och Murriyang, CSIRO:s Parkes-radioteleskop, som ägs och drivs av Australiens nationella vetenskapsmyndighet.

Dr Lowers observationer med Murriyang och efterföljande analys med Swinburnes Ngarrgu Tindebeek-superdator kan vara den första direkta upptäckten av denna tidigare teoretiska kvanteffekt.

Dr Lower beskriver att trots förutsägelsen redan på 1930-talet av fenomenet har en konkret upptäckt av vakuumdubbelbrytning hittills varit svår att bevisa. Genom att noggrant följa riktningen radiovågorna  magnetaren sände ut (deras 'polarisationstillstånd') när den roterade fann teamet att det magnetiska och rotationsaxlar för 1E 1547 är nästan i linje och ses nästan pol-på. Denna kombination av magnetisk och betraktande geometri gör 1E 1547 idealisk för att leta efter vakuumdubbelbrytning.

Teamet identifierade sedan två tydliga tecken på att vakuumdubbelbrytning verkar runt magnetaren; de fann att de röntgenstrålar producerades av magnetaren och fångades upp av IXPE hade extremt höga polarisationsnivåer och att polarisationsriktningen var låst till 1E1547:s magnetfält på samma sätt som radiovågorna.

"På grund av magnetfältets styrka blir Heisenbergs virtuella partiklar i linje med den riktning fältet visar," beskriver Dr Lower.

"Genom att noggrant följa riktningen på radiovågor och röntgenstrålar när magnetaren roterar fann teamet att justeringen av 1E1547:s magnetiska och rotationspoler var idealisk för att upptäcka vakuumdubbelbrytning."

Om det bekräftas banar denna upptäckta väg förståelse av hur våra teorier inom kvantfysik fungerar i en av de mest extrema miljöerna i universum.

Dr Lower påtalar att denna betydande upptäckt snart kan bekräftas med ytterligare data och förbättrade datorsimuleringar för att bättre särskilja vakuum-dubbelbrytningssignalen från andra processer som sker runt magnetarer.

"Med dessa framtida data till hands och våra uppdaterade simuleringar kan vi äntligen slutföra det uppdrag som Heisenberg påbörjade för nästan 90 år sedan."

En artikel som beskriver studien med titeln "Vacuum birefringence and the polarized X-ray emission of a radio magnetar" har publicerats i Nature

Kvantfysiken är svår att hålla sig informerad om då det händer nya och oväntade upptäckter hela tiden så man får tänka om. Men den är otroligt fascinerande och intressant.