Prázdný prostor má podivné kvantové vlastnosti?

Týmu astronomů pracujícímu s teleskopem VLT se ve světle vyzařovaném mimořádně hustou neutronovou hvězdou se silným magnetickým polem zřejmě podařilo zachytit první známky kvantového efektu, jehož předpověď pochází již z roku 1930.

Stupeň polarizace pozorovaného světla naznačuje, že v jinak prázdném prostoru v okolí neutronové hvězdy by se mohl projevovat kvantový jev známý jako dvojlom vakua. Italský astrofyzik Roberto Mignani a jeho tým využili dalekohled ESO/VLT pracující na observatoři Paranal v Chile ke zkoumání neutronové hvězdy RX J1856.5-3754. Tento objekt od nás není příliš daleko, nachází se asi 400 světelných let od Slunce.

Tajemství neutronových hvězd

Přestože jde o jednu z nejbližších známých neutronových hvězd, je tak mimořádně slabá, že její pozorování bylo doslova na hranici technických možností současných astronomických zařízení. Neutronové hvězdy jsou velmi hustými pozůstatky jader hvězd alespoň desetkrát hmotnějších než Slunce, které v závěrečné fázi svého vývoje explodovaly jako supernovy. Nesou mimořádně silné magnetické pole. To může být až miliardkrát silnější než například u Slunce.
Magnetická pole neutronových hvězd jsou tak silná, že mohou ovlivňovat dokonce vlastnosti prázdného prostoru v okolí. Vakuum většinou považujeme za naprosto prázdné a světlo jím může procházet bez jakékoliv změny. Z pohledu kvantové elektrodynamiky je však prázdný prostor naplněn neustále vznikajícími a zanikajícími virtuálními nabitými částicemi. Kvantová teorie popisuje rovněž interakce mezi těmito nabitými částicemi a fotony.

Vesmírná laboratoř

Velmi silná magnetická pole mohou ovlivňovat vlastnosti prostoru takovým způsobem, že i ve vakuu může docházet ke změnám polarizace světla, které jím prochází. „Podle kvantové elektrodynamiky se vakuum v silném magnetickém poli při průchodu světla chová podobně jako hranol a dochází zde k jevu, který je známý jako dvojlom vakua,“ vysvětlil Roberto Mignani.
Dvojlom vakua je jedním z mnoha jevů předpovězených v rámci kvantové elektrodynamiky, ale jako jeden z mála dosud nebyl pozorován. Pokusy o jeho detekci v laboratorních podmínkách jsou neúspěšné již 80 let, tedy od doby, kdy existenci jevu předpověděli Werner Heisenberg a Hans Heinrich Euler. Jev lze detekovat pouze za přítomnosti mimořádně silných magnetických polí, jaká se vyskytují například právě v okolí neutronových hvězd. „To znovu ukazuje, že neutronové hvězdy představují pro vědce nenahraditelné přírodní laboratoře, ve kterých je možné testovat základní zákony přírody,“ říká fyzik Roberto Turolla z padovské univerzity.

Čekání na výkonnější teleskop

Po pečlivé analýze dat se týmu podařilo odhalit známky lineární polarizace. To by mohlo být důsledkem zesilujícího efektu vakuového dvojlomu, který nastává v prázdném prostoru obklopujícím neutronovou hvězdu RX J1856.5-375. „Stupeň lineární polarizace, který jsme naměřili pomocí VLT, není možné jednoduše vysvětlit pomocí dostupných modelů, pokud nebereme v úvahu také vakuový dvojlom předpovězený kvantovou elektrodynamikou,“ popisuje Roberto Mignani.
„Náš výzkum představuje první pozorování podporující předpověď existence tohoto typu kvantového efektu vznikajícího v extrémně silných magnetických polích,“ doplňuje Silvia Zaneová z britské Mullard Space Science Laboratory
Vědci s napětím očekávají další vylepšení možností výzkumu v této oblasti, které přinese příští generace přístrojů a větších dalekohledů. Měření polarizace pomocí skutečně velkých dalekohledů, jakým bude například teleskop ESO/E-ELT (European Extremely Large Telescope), mohou hrát zásadní úlohu při testování předpovědí kvantové elektrodynamiky stran efektů způsobených dvojlomem vakua u mnohem většího počtu neutronových hvězd.