تلسکوپ IXPE ناسا داده‌هایی جمع‌آوری کرد که ممکن است نظریه ۹۰ ساله اخترفیزیک را اثبات کند

برای نزدیک به یک قرن، یکی از عمیق‌ترین و غیرمنتظره‌ترین پیش‌بینی‌های فیزیک کوانتوم به شکلی ناامیدکننده غیرقابل آزمایش باقی مانده بود. در سال ۱۹۳۶، فیزیکدانان نظری پیشنهاد کردند که فضای خالی واقعاً خالی نیست و تحت شرایط به اندازه کافی شدید، خود خلأ می‌تواند نور را خم کند، مخدوش سازد و فیلتر کند. اکنون، یک تیم بین‌المللی از دانشمندان با استفاده از کاوشگر قطبش‌سنج پرتو ایکس تصویربرداری (IXPE) ناسا، قوی‌ترین شواهد اخترفیزیکی را جمع‌آوری کرده‌اند که نشان می‌دهد این پدیده – معروف به دوشکستی خلأ (vacuum birefringence) – یک واقعیت است. محققان با نشانه گرفتن ابزارهای خود به سمت یک ستاره مرده، دوردست و با میدان مغناطیسی بسیار قوی، توانستند مشاهده کنند که بافت فضا دقیقاً همان‌طور رفتار می‌کند که الکترودینامیک کوانتومی تقریباً ۹۰ سال پیش پیش‌بینی کرده بود.[1]

این یافته‌های پیشگامانه که این هفته در مجله نیچر منتشر شد، بر یک کمپین رصدی دقیق ۱۴۰ ساعته از یک مگنتار دوردست به نام 1E 1547.0-5408 متمرکز است. مگنتارها هسته‌های فوق‌العاده چگال و فروریخته ستارگان مرده عظیم هستند که قوی‌ترین میدان‌های مغناطیسی شناخته شده در جهان را دارند. محققان با اندازه‌گیری نور پرتو ایکس ساطع شده از این جرم آسمانی شدید، رفتار فضای خالی را به شکلی ثبت کردند که فیزیکدانان مدت‌ها درباره آن نظریه‌پردازی کرده بودند اما هرگز مستقیماً مشاهده نشده بود. داده‌ها نشان می‌دهند که محیط مغناطیسی شدید اطراف ستاره، فعالانه مسیر و خواص نوری را که از آن عبور می‌کند، تغییر می‌دهد.[1][2][5]

این کشف نشان‌دهنده یک پیروزی بزرگ در استفاده از کیهان به عنوان یک آزمایشگاه فیزیک بنیادی است. میدان‌های مغناطیسی مورد نیاز برای فعال کردن دوشکستی خلأ، ده‌ها تا صدها میلیارد تسلا هستند – تقریباً یک تریلیون برابر قوی‌تر از قوی‌ترین آهن‌رباهای دائمی که تاکنون روی زمین ساخته شده‌اند. از آنجا که بازسازی این شرایط شدید در آزمایشگاه‌های زمینی یا شتاب‌دهنده‌های ذرات امکان‌پذیر نیست، اخترفیزیکدانان مدت‌هاست که به ستارگان چشم دوخته‌اند تا محدودیت‌های مطلق الکترودینامیک کوانتومی (QED) را آزمایش کنند. مگنتارها، با نیروهای مغناطیسی تغییردهنده واقعیت خود، به عنوان زمینه‌های آزمایشی طبیعی و عالی برای این نظریه‌های کوانتومی دست‌نیافتنی عمل می‌کنند.[1]

برای درک کامل مکانیسم در حال اجرا، باید به کار بنیادی فیزیکدانان ورنر هایزنبرگ و هانس اولر بازگردیم. در فیزیک کلاسیک، خلأ کاملاً خالی است و مطلقاً هیچ تأثیری بر نوری که از آن عبور می‌کند ندارد. اما الکترودینامیک کوانتومی حکم می‌کند که خلأ در واقع دریایی متلاطم و آشفته از جفت‌های «مجازی» ذره-پادذره است که دائماً به وجود می‌آیند و از بین می‌روند. در شرایط عادی، این ذرات زیراتمی زودگذر تأثیر قابل اندازه‌گیری بر جهان ندارند و به نور اجازه می‌دهند بدون مانع حرکت کند.[3]

با این حال، هایزنبرگ و اولر نظریه‌پردازی کردند که اگر یک میدان مغناطیسی به اندازه کافی شدید باشد، این ذرات مجازی را مجبور می‌کند تا به شکلی بسیار ساختاریافته هم‌راستا شوند. این هم‌راستایی ناگهانی، خواص خود خلأ را به طور بنیادی تغییر می‌دهد و به فضای خالی ضریب شکست می‌دهد، بسیار شبیه به شیشه یا آب. هنگامی که خلأ دوشکستی می‌شود، با امواج الکترومغناطیسی برهم‌کنش می‌کند و نور را مجبور می‌سازد تا بر اساس قطبش خود تقسیم یا هم‌راستا شود. برای دهه‌ها، این موضوع یک انتزاع صرفاً ریاضی باقی ماند و منتظر ابزاری بود که به اندازه کافی حساس باشد تا آن را در طبیعت تشخیص دهد.[3]

در نتیجه این هم‌راستایی کوانتومی، فضای خالی اطراف یک مگنتار شروع به عمل کردن مانند یک فیلتر قطبش‌ساز عظیم یا یک منشور می‌کند. هنگامی که نور پرتو ایکس ساطع شده از سطح فوق‌العاده داغ ستاره نوترونی از این خلأ تغییر شکل یافته عبور می‌کند، امواج الکترومغناطیسی آن مجبور می‌شوند در یک جهت خاص و یکپارچه نوسان کنند. این فرآیند فیلتر کردن، امضای مشخصه پدیده دوشکستی خلأ است. با این حال، تشخیص آن مستلزم ثبت جهت‌گیری دقیق امواج نور پس از عبور از مجاورت مگنتار و طی هزاران سال نوری تا رسیدن به زمین است.[1]

آزمایش این نظریه ۹۰ ساله به نوع کاملاً جدیدی از ابزارهای نجومی نیاز داشت. تلسکوپ‌های فضایی سنتی در اندازه‌گیری روشنایی، فرکانس و انرژی نور کیهانی بسیار ماهر هستند، اما نمی‌توانند به راحتی قطبش آن را تشخیص دهند. ماهواره IXPE ناسا که در اواخر سال ۲۰۲۱ پرتاب شد، به طور خاص برای پر کردن این شکاف طراحی شده بود. IXPE با اندازه‌گیری قطبش پرتوهای ایکس، راهی نوآورانه برای بررسی هندسه پنهان و فیزیک شدید موتورهای کیهانی دوردست فراهم می‌کند و به دانشمندان اجازه می‌دهد نه تنها میزان روشنایی یک ستاره، بلکه ساختار نور آن را نیز ببینند.[1]

بین مارس و آوریل ۲۰۲۵، رصدخانه IXPE تقریباً ۱۴۰ ساعت بی‌وقفه به مگنتار 1E 1547.0-5408 خیره شد. این کمپین یک تلاش چندپیامی و بسیار هماهنگ بود که سراسر جهان و مدار پایین زمین را در بر می‌گرفت. در حالی که IXPE قطبش حیاتی پرتو ایکس را اندازه‌گیری می‌کرد، ابزار NICER ناسا روی ایستگاه فضایی بین‌المللی زمان‌بندی پرتو ایکس ستاره را ردیابی می‌کرد و تلسکوپ رادیویی موریانگ استرالیا پالس‌های رادیویی مداوم آن را زیر نظر داشت. این اولین بار در تاریخ بود که قطبش انتشار رادیویی و پرتو ایکس از یک مگنتار به طور همزمان اندازه‌گیری می‌شد.[1][3]

مگنتار هدف، که هر ۲.۰۹ ثانیه یک چرخش کامل انجام می‌دهد، یک سوژه آزمایشی عالی بود زیرا پالس‌های رادیویی منظم آن به محققان اجازه می‌داد تا جهت‌گیری میدان مغناطیسی زیرین آن را به دقت ترسیم کنند. هنگامی که حجم عظیم داده‌ها سرانجام پردازش و تحلیل شد، تیم تحقیقاتی بین‌المللی درجه‌ای غیرمنتظره از قطبش پرتو ایکس را کشف کرد. امواج نور تا حدی هم‌راستا شده بودند که بلافاصله توضیحات استاندارد اخترفیزیکی را رد می‌کرد و مستقیماً به یک پدیده کوانتومی اشاره داشت.[3]

در سراسر باند انرژی اصلی IXPE، درجه قطبش به طور متوسط ۴۶ درصد قابل توجه بود. اما تکان‌دهنده‌ترین کشف در طول فاز خاصی از چرخش سریع ستاره رخ داد. در باند باریک‌تر ۲ تا ۳ کیلوالکترون‌ولت، قطبش به طور حیرت‌انگیزی به ۸۲ درصد رسید. این سطح بالای هم‌راستایی تقریباً سه برابر بیشتر از چیزی بود که مدل‌های استاندارد ستاره نوترونی پیش‌بینی کرده بودند و سیگنالی واضح و غیرقابل انکار ارائه می‌داد که چیزی فعالانه نور را هنگام فرار از کشش گرانشی ستاره سازماندهی می‌کرد.[3]

محققان به سرعت دریافتند که توضیحات مرسوم کاملاً برای تبیین داده‌ها ناکافی هستند. مدل‌های استاندارد انتشار سطحی یک ستاره نوترونی نشان می‌دهند که تابش از بخش‌های مختلف ستاره باید به طور طبیعی هنگام ترکیب شدن، یکدیگر را خنثی کنند و در نتیجه قطبش خالص نزدیک به صفر هنگام مشاهده از زمین ایجاد شود. تنها راه فیزیکی برای توضیح اوج ۸۲ درصدی این بود که یک نیروی خارجی – به طور خاص، خود خلأ – فعالانه نور را هم‌راستا می‌کرد و از خنثی شدن آن هنگام دور شدن از سطح ستاره جلوگیری می‌نمود.[1][4]

شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پیشرفته متعاقباً فرضیه تیم را تأیید کردند. هنگامی که محققان سفر نور را از طریق یک مگنتوسفر که تحت تأثیر دوشکستی خلأ قرار داشت مدل‌سازی کردند، داده‌های شبیه‌سازی شده کاملاً با اندازه‌گیری‌های شدید IXPE مطابقت داشتند. میدان مغناطیسی شدید، پرتوهای ایکس خروجی را به شدت به هم پیوسته نگه می‌داشت و از خنثی شدن تابش از مناطق مختلف ستاره جلوگیری می‌کرد. این امر یک سیگنال قطبش بسیار منظم تولید کرد که پیش‌بینی‌های سال ۱۹۳۶ را به طور بی‌نقصی بازتاب می‌داد. مدل‌های ریاضی و داده‌های رصدی سرانجام همسو شدند و یک نگاه نادر و ملموس به مکانیک قلمرو کوانتومی ارائه دادند.[3][4]

با وجود ماهیت قانع‌کننده داده‌ها، جامعه علمی گسترده‌تر به جای اعلام پیروزی مطلق، درجه‌ای از خوش‌بینی محتاطانه را حفظ می‌کند. در حالی که اهمیت آماری اندازه‌گیری قطبش شدید غیرقابل انکار است، انتساب قطعی آن به دوشکستی خلأ متکی بر مدل‌های نظری پیچیده از جو ستاره نوترونی است. از آنجا که دانشمندان نمی‌توانند مستقیماً از پلاسمای فوق‌العاده داغ اطراف یک مگنتار دوردست نمونه‌برداری کنند، باید فرضیات آگاهانه‌ای در مورد ترکیب دقیق و رفتار ترمودینامیکی آن داشته باشند، که پنجره‌ای کوچک اما قابل توجه برای توضیحات اخترفیزیکی جایگزین باقی می‌گذارد.[3]

یک تیم تحقیقاتی جداگانه که دقیقاً همان داده‌های کمپین IXPE را تجزیه و تحلیل می‌کرد، خاطرنشان کرد که اگرچه اثر کوانتومی محتمل‌ترین عامل است، اما نتیجه‌گیری نهایی به شدت به فرضیات مربوط به هندسه مغناطیسی ستاره و منطقه دقیق ساطع‌کننده پرتوهای ایکس بستگی دارد. اگر ترکیب سطحی یا پلاسمای جوی ستاره رفتاری متفاوت از آنچه در حال حاضر مدل‌سازی شده است داشته باشد، می‌تواند از لحاظ نظری یک اوج قطبش مشابه را بدون نیاز به الکترودینامیک کوانتومی ایجاد کند. این امر بر دشواری ذاتی استفاده از اجرام آسمانی دوردست به عنوان آزمایشگاه‌های دقیق فیزیک تأکید می‌کند.[3]

برای حل و فصل قطعی این بحث، اخترفیزیکدانان در حال برنامه‌ریزی برای مشاهدات بیشتر از مگنتارهای دیگر هستند تا ببینند آیا امضای دوشکستی خلأ یک پدیده جهانی است یا خیر. اگر دقیقاً همان اثر قطبش شدید به طور مداوم در چندین ستاره نوترونی با میدان مغناطیسی قوی مشاهده شود، به طور مؤثری احتمال یک ناهنجاری جوی موضعی در 1E 1547.0-5408 را از بین خواهد برد. مأموریت‌های فضایی آینده و نظارت طولانی‌مدت مستمر توسط ماهواره IXPE برای ساختن یک پرونده محکم که حتی سخت‌گیرترین شکاکان در جامعه فیزیک نظری را راضی کند، کاملاً حیاتی خواهد بود.[3][4]

در حال حاضر، داده‌های IXPE به عنوان یک دستاورد بزرگ در فیزیک رصدی مدرن محسوب می‌شود. این داده‌ها با موفقیت شکاف مفهومی عظیم بین دنیای ماکروسکوپی اخترفیزیک و قلمرو میکروسکوپی و غیرمنتظره مکانیک کوانتومی را پر می‌کند. دانشمندان با تبدیل یک ستاره مرده و دوردست به یک آزمایشگاه کوانتومی عملی، یک انتزاع ریاضی ۹۰ ساله را از کتاب‌های درسی خارج کرده و به قلمرو واقعیت قابل مشاهده آورده‌اند. این پیشرفت بار دیگر ثابت می‌کند که جهان بسیار عجیب‌تر و پیچیده‌تر از آن چیزی است که فیزیک کلاسیک تصور می‌کرد و درهای جدیدی را برای اکتشافات کوانتومی آینده می‌گشاید.