A Nature tudományos folyóiratban megjelent friss tanulmány szerint a csillagászok a Földtől távoli, extrém környezetet használták természetes laboratóriumként, hogy a kvantumelektrodinamika egyik legfontosabb jóslatát teszteljék. A vizsgálat tárgya az 1E 1547.0-5408 katalógusszámú magnetár volt, amely a Tejútrendszer egyik legismertebb és legerősebb mágneses terű bestiája – írja a NASA.

A világűr legdurvább mágneses szörnyetegei

Ahhoz, hogy megértsük a felfedezés jelentőségét, érdemes tisztázni, mik is azok a magnetárok. Amikor egy nagy tömegű csillag élete végén szupernovaként felrobban, a visszamaradó mag egy elképesztően sűrű objektummá, úgynevezett neutroncsillaggá roppan össze. Ezek a csillagmaradványok körülbelül 1,2–2 naptömegnyi anyagot sűrítenek össze egy alig 20–25 kilométer átmérőjű objektumba; igen, méretük egy-egy nagyobb városéval megegyező.

A magnetárok a neutroncsillagok egy különleges alcsoportját alkotják: mágneses mezejük a legerősebbek közé tartozik az ismert univerzumban, felszíni erősségük elérheti a 10¹⁴–10¹⁵ gausst, ami több ezermilliárdszor erősebb a Föld mágneses mezejénél. A most vizsgált, körülbelül két másodperces forgási periódusú 1E 1547.0-5408 ráadásul különösen érdekes, mert nemcsak intenzív röntgensugárzást bocsát ki, hanem a rádiótartományban is aktív, ami a magnetárok között viszonylag ritka jelenség.

De hogyan kapcsolódik ehhez Einstein és a modern fizika?

Bár a most vizsgált vákuum-kettőstörés elméletét Werner Heisenberg és Hans Heinrich Euler dolgozta ki 1936-ban a kvantumelektrodinamika keretein belül, a történet egészen Albert Einstein munkásságához vezet vissza. Einstein speciális relativitáselmélete és a tömeg–energia egyenértékűség (azaz a legendás E = mc² képlet) megmutatta, hogy az energia és az anyag egymásba alakulhat. Erre épült később a kvantumelektrodinamika, amely szerint a vákuum nem teljesen üres, hanem a kvantumtérelmélet szerint folyamatosan virtuális részecske–antirészecske párok jelennek meg és tűnnek el benne.

Amikor egy magnetár rendkívül erős mágneses mezeje kölcsönhatásba lép ezekkel a virtuális részecskékkel, a kvantumelektrodinamika szerint a vákuum optikai tulajdonságai megváltoznak. Ilyenkor a vákuum bizonyos értelemben úgy kezd viselkedni, mint egy kettőstörő kristály: a különböző polarizációjú fényhullámokat eltérően befolyásolja. A mostani eredmények ezt a jelenséget támasztják alá, de a kutatók maguk is hangsúlyozzák, hogy nem Einstein valamely konkrét elméletének közvetlen tesztjéről, hanem a rá épülő modern kvantumtérelmélet egyik jóslatáról van szó.

Amikor a semmi prizmává válik

A NASA röntgenpolariméteres űrteleszkópja, az IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) 2024-ben, több mint 140 órán keresztül figyelte meg a magnetárt. A méréseket ráadásul egy egyedülálló nemzetközi együttműködés keretében koordinálták: az IXPE adatai mellett a Nemzetközi Űrállomáson működő NICER röntgenteleszkóp, valamint az ausztráliai Parkes rádióteleszkóp méréseit is felhasználták. Ez volt az első olyan vizsgálat, amelyben egy magnetár rádió- és röntgenpolarizációs tulajdonságait összehangoltan elemezték.

Amikor a kutatók elemezni kezdték a beérkező röntgenjeleket, azt tapasztalták, hogy a fény polarizációja – vagyis a fényhullámok rezgési irányának rendezettsége – jóval nagyobb volt annál, mint amit a hagyományos magnetármodellek előre jeleztek. A klasszikus modellek alapján a polarizáció mértékének a csillag forgása során bizonyos fázisokban jelentősen csökkennie kellett volna, a mérések azonban nem ezt igazolták. Nyilvánvalóvá vált tehát, hogy egy olyan fizikai hatás is szerepet játszik, amelyet a felszíni sugárzási modellek önmagukban nem tudnak megmagyarázni.

Itt lép be a képbe a vákuum-kettőstörés jelensége. Az elmélet szerint a fizikai értelemben vett „üres tér”, vagyis a vákuum extrém erős mágneses térben megváltoztatja optikai tulajdonságait. Ilyen körülmények között a vákuum a különböző polarizációjú fényt eltérően engedi áthaladni, hasonlóan egy kettőstörő kristályhoz. Ennek eredményeként a magnetárból érkező röntgensugárzás polarizációja nagyobb maradhat annál, mint amit a vákuumhatás figyelmen kívül hagyásával várnánk.

A kutatócsoport által lefuttatott szimulációk azt mutatták, hogy a megfigyelések a vákuum-kettőstörés figyelembevételével írhatók le a legjobban. Bár ez rendkívül erős bizonyíték a jelenség mellett, a szerzők óvatosan fogalmaznak, és nem tekintik végleges bizonyításnak. „Modellünk azt mutatja, hogy a megfigyelt röntgenpolarizációs jelek reprodukálásához – miközben a rádiómérések által megszabott korlátoknak is meg kell felelni – elengedhetetlen a vákuum-kettőstörés jelenléte a neutroncsillag környezetében” – magyarázta Hoa Dinh Thi, a houstoni Rice Egyetem posztdoktori kutatója. „Ez az eredmény kiválóan példázza, miként teszik lehetővé a neutroncsillagok a fundamentális fizika tesztelését olyan környezetben, amelyet a földi laboratóriumokban lehetetlen lenne lemodellezni.”

Betekintés a valóság szövetébe

A magnetárból érkező rendkívüli polarizációs adatok eddig a legerősebb asztrofizikai bizonyítékot szolgáltatják a közel kilencvenéves elmélet mellett, és a röntgentartományban ez az első ennyire meggyőző megfigyelés. Korábban már optikai hullámhosszakon is születtek a vákuum-kettőstörésre utaló eredmények, a mostani vizsgálat azonban új, független bizonyítékkal szolgál.

Ez az eredmény valóban kiemeli az asztrofizika diszciplínákon átívelő erejét. Az információk, amelyeket ennek a távoli csillagmagnak a vizsgálatával nyertünk, közelebb vihetnek bennünket ahhoz is, hogy jobban megértsük a természet legalapvetőbb fizikai törvényeit

– tette hozzá Rachael Stewart, a George Washington Egyetem PhD-hallgatója, a Nature Astronomy tanulmány vezető szerzője.

A NASA és az Olasz Űrügynökség közös IXPE missziója a jövőben további megfigyeléseket végez majd ezen a magnetáron és más hasonló objektumokon is. A csillagászok bizakodóak: a beérkező adatok nemcsak tovább erősíthetik a vákuum-kettőstörésre utaló bizonyítékokat, hanem a kvantumelektrodinamika más jóslatait is tesztelhetővé tehetik olyan extrém környezetben, amelyeket földi laboratóriumban jelenleg lehetetlen előállítani.

(Borítókép: Számítógépes illusztráció egy magnetárról. / Fotó: Getty Images)