میدان عظیم مگنتار اولین اثبات مشاهده‌ای اثر کوانتومی ۹۰ ساله هایزنبرگ را فراهم می‌کند

فضای خالی واقعاً خالی نیست. هنگامی که خلأ فضا در معرض میدان مغناطیسی‌ای قرار می‌گیرد که یک تریلیون برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین است، مانند یک منشور عمل می‌کند و نور عبوری از خود را به صورت فیزیکی خم و قطبیده می‌کند. اخترشناسان قوی‌ترین شواهد مشاهده‌ای را برای این پدیده عجیب یافته‌اند و یک پیش‌بینی ۹۰ ساله را با رصد یک ستاره مرده، دوردست و فوق‌مغناطیسی تأیید کردند. این یافته‌ها که در مجله نیچر منتشر شده‌اند، نقطه عطف مهمی در فیزیک کوانتومی محسوب می‌شوند و نشان می‌دهند که قوانین عجیب حاکم بر قلمرو زیراتمی می‌توانند رفتار نور را در مقیاس کهکشانی دیکته کنند.[1][2]

مبنای نظری این اثر در سال ۱۹۳۶ توسط ورنر هایزنبرگ و هانس اویلر پایه‌گذاری شد. آن‌ها در روزهای اولیه مکانیک کوانتومی، در حال بررسی پیامدهای الکترودینامیک کوانتومی (QED) بودند، چارچوبی که نحوه تعامل نور و ماده را توصیف می‌کند. آن‌ها پدیده‌ای به نام «دوشکستی خلأ» (Vacuum Birefringence) را پیشنهاد کردند و استدلال نمودند که دیدگاه کلاسیک از خلأ به عنوان یک فضای خالی و بی‌اثر، اساساً نادرست است.[2][3]

بر اساس QED، یک خلأ کامل در واقع یک محیط جوشان و پویا است که مملو از «ذرات مجازی» است—به طور خاص جفت‌هایی از الکترون‌ها و پوزیترون‌ها. این ذرات به طور مداوم به وجود می‌آیند، مقدار کمی انرژی از جهان قرض می‌گیرند و کسری از ثانیه بعد یکدیگر را نابود می‌کنند. در شرایط عادی، این ذرات زودگذر به طور تصادفی جهت‌گیری می‌کنند و هیچ تأثیر قابل اندازه‌گیری بر امواج نوری که از آن‌ها عبور می‌کنند، ندارند.[2][5]

با این حال، هایزنبرگ و اویلر محاسبه کردند که یک میدان مغناطیسی فوق‌العاده شدید، این ذرات مجازی را مجبور می‌کند تا به طور یکنواخت با خطوط میدان هم‌راستا شوند. این هم‌راستایی ناگهانی، خواص نوری متمایزی به خلأ می‌دهد و باعث می‌شود که نور را درست مانند یک بلور فیزیکی روی زمین، منکسر و قطبیده کند. مشکل، مقیاس محض این نیاز بود: آزمایش این فرضیه به میدانی مغناطیسی نیاز داشت که تقریباً ۱۰۰ میلیون برابر قوی‌تر از قوی‌ترین آهنربایی باشد که تاکنون توسط انسان مهندسی شده است.[3][6]

از آنجایی که این محیط را نمی‌توان در یک آزمایشگاه زمینی بازسازی کرد، این پیش‌بینی برای نُه دهه به عنوان یک کنجکاوی ریاضی اثبات‌نشده باقی ماند. برای یافتن میدان مغناطیسی به اندازه کافی قوی برای آزمایش این نظریه، اخترشناسان مجبور شدند ۱۳۰۰۰ سال نوری دورتر به مگنتاری معروف به 1E 1547.0-5408 نگاه کنند. مگنتارها هسته‌های فوق‌متراکم و فروریخته ستارگان عظیمی هستند که در ابرنواخترها منفجر شده‌اند و جرمی بیشتر از خورشید را در کره‌ای به اندازه یک شهر جای داده‌اند.[2][6]

این بقایای ستاره‌ای دارای قوی‌ترین میدان‌های مغناطیسی در میان تمام اجرام شناخته شده در جهان قابل مشاهده هستند—که اغلب از یک تریلیون برابر قدرت میدان مغناطیسی زمین فراتر می‌روند. برای محققان، طبیعت قبلاً آزمایشگاه کوانتومی عالی را ساخته بود؛ چالش صرفاً یافتن راهی برای خواندن نتایج از نیمه راه کهکشان بود.[2][4]

بین مارس و آوریل ۲۰۲۵، یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی یک کمپین بی‌سابقه چند رصدی را برای مطالعه 1E 1547.0-5408 هماهنگ کرد. آن‌ها بیش از ۱۴۰ ساعت داده را با استفاده از کاوشگر قطبش‌سنج پرتو ایکس ناسا (IXPE)، تلسکوپ پرتو ایکس NICER در ایستگاه فضایی بین‌المللی و تلسکوپ رادیویی موریانگ CSIRO در استرالیا جمع‌آوری کردند. این اولین باری بود که اخترشناسان اندازه‌گیری‌های همزمان قطبش رادیویی و پرتو ایکس را از یک مگنتار ثبت می‌کردند.[1][3]

داده‌های حیاتی نه از روشنایی پرتوهای ایکس، بلکه از قطبش آن‌ها—جهت‌گیری خاصی که امواج نوری در آن نوسان می‌کنند—به دست آمد. ماهواره IXPE نشان داد که پرتوهای ایکس ساطع شده توسط 1E 1547.0-5408 به شدت قطبیده بودند، به طور متوسط ۶۵٪ در ۲ کیلوالکترون‌ولت و در فازهای خاصی از چرخش ۲.۱ ثانیه‌ای ستاره به نزدیک ۸۰٪ می‌رسیدند. این سطوح قطبش تقریباً سه برابر بیشتر از مواردی است که در ستاره‌های نوترونی مشابه ثبت شده است.[1][5]

مدل‌های استاندارد اخترفیزیکی انتشار حرارتی از سطح جامد یک ستاره نوترونی نمی‌توانند این قطبش شدید را توضیح دهند. اگر نور صرفاً در یک خلأ عادی و بدون ویژگی تابش می‌کرد، قطبش باید به طور قابل توجهی کمتر و در برخی فازهای چرخشی نزدیک به صفر می‌بود. این واقعیت که امواج نوری تا این حد یکنواخت مرتب شده بودند، به شدت نشان می‌داد که آن‌ها به طور فعال توسط فضایی که در آن حرکت می‌کردند، فیلتر و هم‌راستا می‌شوند.[3][5]

سرنخ قطعی از مقایسه داده‌های پرتو ایکس با امواج رادیویی ثبت شده توسط تلسکوپ موریانگ به دست آمد. با ردیابی نحوه نوسان امواج رادیویی هنگام چرخش مگنتار، محققان توانستند هندسه دقیق ستاره را نقشه‌برداری کنند. آن‌ها دریافتند که جهت‌گیری پرتوهای ایکس به شدت قطبیده، کاملاً با میدان مغناطیسی در مقیاس بزرگ مگنتار قفل شده است، که تأیید می‌کند جفت‌های مجازی الکترون-پوزیترون در خلأ با میدان هم‌راستا شده و پرتوهای ایکس عبوری را مجبور به نوسان در یک جهت واحد می‌کنند.[1][2]

در حالی که داده‌ها تطابق چشمگیری با پیش‌بینی هایزنبرگ در سال ۱۹۳۶ ارائه می‌دهند، محققان در مورد قطعیت نهایی کشف، شفافیت خود را حفظ می‌کنند. این تیم به صراحت اشاره می‌کند که این قوی‌ترین شواهد تا به امروز است، اما هنوز یک مورد قطعی و بسته نیست. تفسیر به شدت به هم‌راستایی دقیق محورهای مغناطیسی و چرخشی ستاره نسبت به خط دید زمین بستگی دارد و پنجره باریکی را برای توضیحات جایگزین باقی می‌گذارد.[3][5]

یکی از این جایگزین‌ها شامل فیزیک پلاسمای کلاسیک محیط بلافاصله اطراف مگنتار است. این ستاره در پلاسمای مغناطیسی و بسیار پرانرژی‌ای پوشیده شده است که آن نیز قادر به قطبش نور است. با این حال، میدان‌های پلاسما معمولاً درهم‌پیچیده و بسیار متغیر هستند، که معمولاً نور را درهم می‌ریزد و قطبش خالص حک شده بر میدان دور را کاهش می‌دهد. بازتولید یک اوج قطبش ۸۰٪ تنها با استفاده از دینامیک پلاسمای کلاسیک بسیار دشوار است، که توضیح خلأ کوانتومی را مناسب‌ترین گزینه برای داده‌ها می‌سازد.[1][4]

برای حرکت از «شواهد قوی» به تأیید غیرقابل انکار، اخترشناسان باید اندازه نمونه خود را گسترش دهند. کمپین‌های رصدی آینده از IXPE برای هدف قرار دادن مگنتارهای دیگر با هندسه‌های دید متفاوت استفاده خواهند کرد. اگر قطبش بالا و هم‌راستایی میدان مغناطیسی در چندین ستاره صادق باشد، مدل دوشکستی خلأ غیرقابل انکار خواهد شد و ثابت می‌کند که فضای خالی بین ستارگان یک شرکت‌کننده پویا و فعال در فیزیک کیهان است.[2][5]