دانشمندان ثابت کردند خلأ فضا واقعا خالی نیست

اخترفیزیک‌دانان برای بررسی نوعی ستاره نوترونی به نام مگنتار، از تلسکوپ‌های مختلف استفاده کردند. این ستاره نوترونی با سرعت زیادی تپش‌های منظم ایجاد می‌کند.

گروهی بزرگ و بین‌المللی از دانشمندان اخیراً برای مطالعه یک ستاره نوترونی غیرمعمول که مگنتار نام دارد، با هدف یافتن یک پدیده کوانتومی موسوم به دوشکستی خلأ همکاری کردند. آنها به کمک ترکیب پرتوهای قدرتمند ایکس و میدان مغناطیسی فوق‌العاده شدید سطح این ستاره، توانستند شواهد قابل‌توجهی از این پدیده را که سال‌ها پیش در چارچوب الکترودینامیک کوانتومی پیش‌بینی شده بود، به دست آورند. نتایج این پژوهش اکنون در مجله علمی معتبر Nature و پس از داوری همتا منتشر شده است.

دوشکستی اصطلاحی با ریشه لاتین است و به شکستن یا انکسار نور به دو پرتو مجزا اشاره دارد؛ دو پرتویی که در یک راستا قرار دارند اما قطبش متفاوتی دارند. بنابراین، دوشکستی خلأ زمانی رخ می‌دهد که اثری مشابه در محیطی مانند فضای بیرونی اتفاق بیفتد؛ جایی که ذرات معمولی برای توضیح شکست نور وجود ندارند.

حدود نود سال پیش، وِرنر هایزنبرگ پدیده دوشکستی خلأ را پیش‌بینی کرد. نویسندگان این پژوهش توضیح می‌دهند که میدان‌های مغناطیسی بسیار شدید، مشابه میدان موجود در مگنتارها، می‌توانند ضریب شکست حالت‌های مختلف قطبش فوتون‌ها را به شکل چشمگیری تغییر دهند و باعث شوند این حالت‌ها ضریب شکست یکسانی نداشته باشند؛ در نتیجه قطبش‌های گوناگون با سرعت‌های متفاوت حرکت می‌کنند. به گفته آنها، این ویژگی مستقیماً از قطبیده شدن خلأ کوانتومی و جفت‌های مجازی الکترون و پوزیترون موجود در آن تحت تأثیر میدان الکترومغناطیسی ناشی می‌شود.

به زبان ساده، میدان مغناطیسی بسیار قدرتمند باعث می‌شود نور با قطبش‌های مختلف، پس از عبور از چنین میدان شدیدی، سرعت یکسانی نداشته باشد. در فضای خلأ نیز که ذرات دائمی وجود ندارند، جفت‌های واکنش‌پذیر و مجازی ذرات می‌توانند بر رفتار پرتوهای نور اثر بگذارند. این ایده که از اصول مکانیک کوانتومی سرچشمه می‌گیرد، تاکنون به‌شدت دشوار بوده است که به شکل مستقیم مشاهده شود.

خلأ کوانتومی و ذرات نامرئی

بر اساس نظریه میدان کوانتومی، میدان الکترون سراسر فضا را دربر گرفته و هیچ‌گاه کاملاً ساکن نیست. در این تصویر، حتی خلأ نیز مملو از جفت‌های الکترون و پوزیترون است که آن‌قدر سریع ظاهر و ناپدید می‌شوند که امکان مشاهده مستقیم آنها وجود ندارد.

در سال ۱۹۳۶، وِرنر هایزنبرگ و هانس اویلر نخستین دانشمندانی بودند که این ذرات مجازی گریزان اما حاضر در همه‌جا را توصیف کردند. در شرایط معمول، این جفت‌های عجیب مانند شبح‌هایی هستند که هیچ اثر قابل‌اندازه‌گیری در جهان فیزیکی باقی نمی‌گذارند.

اما وقتی شدت یک میدان مغناطیسی به حدود چهار ممیز چهار ضربدر ده به توان سیزده گاؤس برسد، ذرات مجازی می‌توانند اثری بر نور عبوری بگذارند. در چنین شرایطی، سرعت یکی از قطبش‌های نور بیشتر از قطبش دیگر کاهش پیدا می‌کند.

اینجاست که مگنتارها اهمیت پیدا می‌کنند. دانشمندان تاکنون تنها سی‌ویک مگنتار را در جهان قابل مشاهده شناسایی کرده‌اند؛ تقریباً به ازای هر سالی که از زمان مطرح شدن نظریه مگنتارها در سال هزار و نهصد و نودودو گذشته، یک مورد شناخته شده است.

ناسا برای توضیح قدرت خارق‌العاده میدان مغناطیسی مگنتارها از نمونه کارت‌های بانکی استفاده می‌کند. این سازمان توضیح می‌دهد که شدت میدان مغناطیسی زمین حدود یک گاؤس است، در حالی که یک آهنربای یخچال تقریباً صد گاؤس قدرت دارد. اما میدان مغناطیسی مگنتارها به حدود یک میلیون میلیارد گاؤس می‌رسد. اگر یک مگنتار در فاصله‌ای معادل یک‌ششم مسیر زمین تا ماه، یعنی حدود چهل هزار مایل، قرار می‌گرفت، می‌توانست اطلاعات تمام کارت‌های اعتباری روی زمین را پاک کند.

میدان مغناطیسی مگنتار چندین برابر قوی‌تر از حدی است که برای اثرگذاری ذرات مجازی بر قطبش نور لازم محسوب می‌شود. حالا به لطف مطالعه یک مگنتار مشخص، دانشمندان شواهدی در اختیار دارند که نشان می‌دهد فضای ظاهراً خالی می‌تواند دارای ویژگی‌هایی شبیه ضریب شکست باشد.

بررسی مگنتار 1E 1547.0−5408

در پژوهش تازه منتشرشده، فیزیک‌دانان مگنتاری با نام 1E 1547.0−5408 را بررسی کردند. این جرم آسمانی در وضعیت پرنور و پایدار در محدوده پرتو ایکس قرار دارد، پالس‌های رادیویی منتشر می‌کند و زاویه دید آن نیز تقریباً ایده‌آل است؛ شرایطی که امکان بررسی تابش‌هایش را برای دانشمندان فراهم می‌کند.

این مگنتار هر ۲.۹ ثانیه یک‌بار می‌چرخد و در نتیجه از دید ناظر مانند چراغی چشمک‌زن به نظر می‌رسد. پژوهشگران برای جمع‌آوری بیشترین میزان اطلاعات، به‌طور هم‌زمان از سه ابزار استفاده کردند: یک تلسکوپ رادیویی، یک رصدخانه مخصوص اندازه‌گیری قطبش پرتو ایکس و یک تلسکوپ طیف‌سنجی نوترونی.

در میان نتایج متعدد، پژوهشگران دریافتند میزان قطبش مشاهده‌شده از این مگنتار به‌مراتب بیشتر از چیزی است که در ستاره‌های مشابه دیده شده و این میزان در طول چرخش ستاره نیز تقریباً ثابت باقی می‌ماند.

این یافته نشان می‌دهد عاملی در مگنتوسفر ستاره، یعنی ناحیه اطراف آن که تحت سلطه میدان مغناطیسی قرار دارد، رفتار نور را شکل می‌دهد. پژوهشگران معتقدند دوشکستی خلأ در مگنتوسفر می‌تواند سازوکار فیزیکی طبیعی و مناسبی برای توضیح این رفتار قطبشی باشد.

این مطالعه تنها به لطف وجود ابزارهای مختلفی امکان‌پذیر شد که می‌توانند یک ستاره را از چند زاویه و در طول‌موج‌های متفاوت بررسی کنند. دانشمندان با کنار هم گذاشتن این داده‌ها توانستند تصویر کامل‌تری از مگنتار به دست آورند و محاسبات پیچیده‌ای را برای هماهنگ کردن متغیرهای گوناگون انجام دهند.

با وجود این، پژوهشگران تأکید کردند که این نتیجه تنها یک گام ابتدایی است و به مطالعات رصدی و نظری بیشتری در این زمینه نیاز خواهد بود. شاید ۳۱ مگنتاری که تاکنون می‌شناسیم، آماده باشند تا در بررسی‌های دقیق‌تر کیهانی بیشتر خودنمایی کنند.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.