Mjerenja polarizacije rendgenskih zraka iz magnetara 1E 1547.0−5408 daju dosad najsnažniji dokaz da ekstremno magnetsko polje može promijeniti način na koji svjetlost prolazi kroz vakuum. Rezultat je u skladu s predviđanjem kvantne elektrodinamike starim gotovo 90 godina.
Istraživači su pritom prvi put istodobno povezali rendgensku i radijsku polarizaciju jednog magnetara. Podaci pokazuju signal koji standardni modeli površinske emisije ne mogu sami objasniti. Rad je objavljen u časopisu Nature, a dodatna opažanja trebala bi pokazati koliko je sigurna interpretacija u korist vakuumske birefringencije.
Neutronska zvijezda s magnetskim poljem nezamislive snage
Magnetari su posebna vrsta neutronskih zvijezda, ostataka masivnih zvijezda koje su završile život u supernovi. U objektu promjera usporedivog s veličinom grada može biti stisnuto više mase od Sunčeve, a njegova magnetska polja među najjačima su u poznatom svemiru.
Magnetar 1E 1547.0−5408 rotira se približno jednom u dvije sekunde i emitira i radijsko i rendgensko zračenje. NASA navodi da je njegovo magnetsko polje oko bilijun puta jače od polja najjačih trajnih magneta proizvedenih na Zemlji. Upravo zato magnetari služe kao prirodni laboratoriji za proučavanje pojava koje se ne mogu proučavati u uobičajenim uvjetima.
Kako vakuum može utjecati na svjetlost
U klasičnom opisu vakuum ne mijenja prolazak svjetlosti. Kvantna elektrodinamika predviđa drukčiju sliku: u dovoljno snažnom magnetskom polju kvantne fluktuacije mogu promijeniti način širenja fotona. Vakuum tada poprima svojstvo slično onome koje u kristalu uzrokuje dvolomnost, pa različite polarizacije svjetlosti ne prolaze potpuno jednako.
Taj se efekt naziva vakuumska birefringencija. Predviđen je još 1936. godine, ali ga je iznimno teško izravno prepoznati jer su magnetska polja potrebna za njegov nastanak daleko jača od onih koja možemo stvoriti u laboratoriju. Vakuumska birefringencija nije samo astronomska tema: računalne simulacije snažnih laserskih polja proučavaju isti kvantni efekt u uvjetima kakve bi se moglo postići u laboratoriju.
Polarizacija opisuje smjer titranja elektromagnetskog vala. Kod rendgenskih zraka taj smjer nosi informaciju o magnetskom polju izvora i o putu zračenja do teleskopa. Zato mjerenje polarizacije ne govori samo koliko je izvor sjajan, nego i u kakvim se uvjetima zračenje stvara i širi.
U ovom slučaju posebno je važno što se polarizacija mijenjala zajedno s rotacijom magnetara. Radio i rendgenska mjerenja pokazala su istu osnovnu geometriju magnetskog polja. To otežava objašnjenje rezultata jednim površinskim procesom ili slučajnom promjenom.
Rendgenska polarizacija otkrila neočekivano jak signal
Tim je prikupio više od 140 sati koordiniranih opažanja u ožujku i travnju 2025. godine. Rendgenske podatke prikupljao je NASA-in teleskop IXPE, koji mjeri polarizaciju rendgenskog zračenja, dok su NICER na Međunarodnoj svemirskoj postaji i radioteleskop Parkes, poznat i kao Murriyang, pratili izvor na drugim valnim duljinama.
U mekom rendgenskom području, u kojem prevladava toplinsko zračenje, stupanj polarizacije dosezao je prosječno 65 posto pri energiji od 2 keV, a zatim se znatno smanjivao između 2 i 4 keV. U pojedinim fazama rotacije signal se približavao 80 posto. To je gotovo tri puta više nego kod sličnih izvora.
Takve vrijednosti ne očekuju se ako se zračenje širi samo izravno s površine neutronske zvijezde. Radio i rendgenski signal pritom su pokazali usklađenu promjenu smjera polarizacije. Istraživači su utvrdili i da su magnetska i rotacijska os magnetara gotovo poravnate, dok ga promatramo gotovo duž jednog od polova. Ta geometrija omogućila je da se promjena polarizacije prati kroz cijelu rotaciju.
Zašto podaci upućuju na vakuumsku birefringenciju
Zajedno, podaci daju obrazac koji se najbolje uklapa u širenje svjetlosti kroz kvantno modificirani vakuum. Modeli istraživača pokazuju da bez vakuumske birefringencije ne mogu istodobno objasniti rendgensku polarizaciju i ograničenja dobivena iz radijskih mjerenja.
Rezultat ipak nije konačna potvrda. Isti signal mogu oponašati i drugi procesi u složenoj magnetosferi, zbog čega su potrebna nova opažanja i preciznije simulacije. NASA navodi da bi dodatna mjerenja ovog i drugih magnetara trebala pomoći u potvrdi rezultata.
Opažanja su važna i zato što povezuju dvije različite vrste mjerenja polarizacije. U pulsarskoj vjetrenoj maglici MSH 15-52 IXPE je istom metodom otkrio strukturu magnetskog polja. Ovaj put polarizacija ne opisuje samo okolinu zvijezde, nego služi kao test temeljnog zakona kvantne fizike.
Sljedeći je korak promatrati magnetar kroz dulje razdoblje i usporediti ga s drugim objektima iste klase. Ako se isti obrazac ponovi, astronomi će moći pouzdanije odvojiti učinak kvantnog vakuuma od procesa koji nastaju u samoj magnetosferi.
