ההודעה שהמתינה תשעים שנה: גילוים חדש של חור תולעי ביקורת הזוי
האסטרונומים ניצבו בפני גילוי מרהיב שמאשר את התיאוריה שהונחה לפני כמעט תשעים שנה, כי שדות מגנטיים חזקים במיוחד יכולים לשנות את התנהגות האור בחלל הריק, תוצאה שנחשבה עד כה לתיאוריה בלבד, ולא הוכחה מעשית. מחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת Nature מציג תוצאות מרהיבות שמתארות לראשונה תופעה פיזיקלית שנקראת "רדיקוליות ריק" (vacuum birefringence), ומדגימה באופן בלתי נמנע כיצד שדה מגנטי על-חזק משפיע על איך שהאור עובר בחלל הריק, מה שמאשר תיאוריה שפורסמה כבר בשנת 1936 אך טרם הובנה באופן ישיר ושיטתי.
משך המחקר – מעל מאה שעות של תצפיות מרהיבות
המחקר שפרסמו החוקרים מתמקד באסטרונום המיוחד בשם 1E 1547.0-5408, שהוא מונבט במערכת של נובה מוארת הקרויה "מגנטאר". התצפיות נערכו באמצעות מכשיר ייחודי של נאס”א, אשר נקרא "Imaging X-ray Polarimetry Explorer" (IXPE) והן אוחדו עם שותפים כמו מכשיר NICER שהותקן בתחנת החלל הבינלאומית וכן עם טלסקופ רדיו אוסטרלי, Murriyang, המתפעל על ידי הסוכנות הלאומית למחקר מדעי באוסטרליה, CSIRO. המחקר כלל יותר מ-140 שעות של תצפיות, שבמהלךן נמדדה התנהגות ה”שטף” והקינמטיקה של האור מהחור התולעי, והתוצאות שהתקבלו הן הפעם המתחממות והחזקות ביותר שאי פעם נצפו: רמת הפולריזציה של האור הייתה כמעט שלוש פעמים גבוה יותר מהערכים שנצפו במקורות דומים, דבר שהפתיע מאוד את החוקרים.
הגיאומטריה של השדה המגנטי סביב המגנטאר מצביעה על כך שהמדידות של הפולריזציה יוצאות מגדר הרגיל, כיוון שהן צריכות להיראות קרובות ל-אפס בנקודות מסוימות במחזורי הסיבוב של הכוכב. בנוסף, מודלים מקובלים של הקרנה ממדף הכוכב אינם מצליחים להסביר תוצאות כה גדולות. תוצאות אלה מצביעות על כך שיש סבירות גבוהה שהשדה המגנטי החזק משפיע באופן משמעותי על התנהגות האור, תיאוריה שקיבלה את השם "רדיקוליות ריק" (vacuum birefringence).
חזון שהגיע לאחר תשעים שנות המתנה
התופעה המרכזית המוצגת במחקר זה נקראת "רדיקוליות ריק" – תיאוריה שהוצעה כבר בשנת 1936 על ידי הפיזיקאים ורנר הייזנברג והנס אולר, ועוסקת במה שהרבה תיארו כ"הבדל במבנה של הריק תחת השפעת שדה מגנטי חזק". לפי ההשערה, הריק אינו באמת ריק, אלא מכיל תכונות קוונטיות שמאפשרות לשדה המגנטי החזק לשנות את תכונות ההולכה של האור דרכו. במיוחד, הוא משמש כ"מסנן" שמעביר אור בדרכים שונות בהתאם לזווית ההעברה שלו, וגורם לפולריזציה הכוללת של הקרינה לגדול.
המאמץ נמצא בזירה שמעבר ליכולתם של מכשירי מדידה בחיי היום-יום, כי השדות המגנטיים הנדרשים כדי לבדוק תופעה זו הם בערך טריליון פעמים חזקים יותר מהשדות שאפשר ליצור במעבדה. מגנטארים, כפי שהכוכבים האלה נקראים, מכילים שדות מגנטיים עצומים, ואכן הם שימשו באופן מעשי כמעבדות בחלל לחקר תופעות שמדעני כדור הארץ טרם הצליחו לאימותת. שדה מגנטי של כ-10^15 בטסלות, שהם בערך טריליון כפול מהחוזק של המגנטים החזקים ביותר שהומצאו על ידי האדם, מציב אותם כמעין "מעבדה בחלל" לחקר הפיזיקה הקוונטית.
המגנטאר 1E 1547.0-5408 – מפיק אור ססגוני ומימדים קוסמיים
המגנטאר החולף סובב כל מחזוריו בכל שתי שניות, ומפיץ בשגרה קרינת רדיו ואור אקס. הוא מציג תופעה תובענית ומרתקת של תאורת קצה משולבת של קרני רנטגן ואור רדיו עז, מופע שהפיזיקאים עוד מנסים להסביר אותו כראייה לקיום תהליך דיאלקטי ומורכב של קרני השמש וכוחות התנגדותיים המופעלים על ידי השדה המגנטי החזק. התמונה שמופיעה במושגי נאס”א מתארת שני קרניים של אור מוארכות, המגיעות עם פולריזציה של 40% ו-80% בהתאמה, ושהן משתנות באופן חלק ואחיד יחד עם מחזורי הסיבוב של הכוכב.
מה אומרים החוקרים?
החוקרים שהיו מעורבים במחקר מציגים סימולציות שמאשרות סבירות גבוהה שהשפעת רדיקוליות ריק אכן אחראית על הקרינה שנמדדה. החברת חוקרים בהובלתה של האוסקר דה דה טי, מרצה בפידרוציה בטכניון רייס, מציינת כי תוצאות התצפית על הקרינה הרדיו אפשרו להם לנתח את הגיאומטריה של המערכת, ולהגיע למסקנה שהצירים המגנטיים והסיבוביים של ה-1E 1547.0-5408 הם כמעט מקבילים ומכוונים כמעט צפונה – דרום, והמשקיף עליהם מכדור הארץ כמעט ניצב על הקוטב.
הקולגה שלה, רייצ'ל stewart, סטודנטית לדוקטורט ב- George Washington University ומובילת המחקר, מציינת שהקונפיגורציה הזו מפחיתה את ה"דעיכה" של הפולריזציה המתרחשת בדרך כלל, ומאפשרת למדידות להיות אמינות יותר ולרתק את התוצאות לשדה המגנטי של הכוכב.
מחלוקת במדעי המוח – תיאוריה מול תיאוריה
כל עוד מדובר בממצא חזק, אין זה אומר שהמחקר סגור, ובהחלט קיימת מחלוקת שמחויבת להיזכר בפני עצמה. קבוצה נפרדת שבראשה עומד רוברטו טבה ארנה עיבדה את הנתונים משנת המעקב באמצעות ניתוח של סימני הפולריזציה עבור הגרף המחזורי, והגיעה למסקנה שייתכן והגיאומטריה שונה מזו שהחוקרים הראשונים מציגים, והגבה של הפולריזציה עשוי להיות אפקט של תהליך חלקי שקשור להמרת מצב, בגישה של הרצה חלקית ב"רגישות ריק" בקטריונים מוארים במגנט.
המחלקה הזו לא דחתה את ההסבר הקוונטי, אך מצאה ראיות מרמזות ל"סדק" בפולריזציה בין 3 ל- 4 קילו-אלקטרוולט, שתואמות לתיאור של תהליך חלקי של המרת מצב בתוך האטמוספירה המגנטית המוארת. הוויכוח המרכזי מתמקד באיך ההגיאומטריה של השדה המגנטי משפיעה על התוצאות: תיאוריה אחת טוענת שקרינת הרדיו והאור מגיעות מאזורים נפרדים בעלי תבניות שדה שונה, בעוד שהשני טוען שהן מגיעות מאותם מקומות, עם ההשלכות הקריטיות על ההבנה הפיזיקלית של התופעה.
מדוע תוצאות אסטרופיזיות חשובות גם למחקר במעבדה?
תיאוריה מתקדמת של היפותזת ה-Euler-Heisenberg, שמסוגלת לחזות את השפעת רדיקוליות ריק, היא גם זה שנמצא בשימוש על ידי קבוצות מחקר במעבדה, כדי לחשב תוצאות פוטנציאליות של ניסויים שנעשים עם אופטיקה מתקדמת ולייזרים חופשיים מאורקורות רנטגן. עם זאת, הנטייה היא שזה בלתי אפשרי כיום להדגים את התופעה בעולם הממשי באמצעות מכשירים שהמשמעותי בהם הוא מדד השדות המגנטיים לפני שהם מגיעים לרמות שבהן התופעה ניתנת לבדיקה באופן אמפירי. השדות שמייצרים במעבדה עדיין רחוקים מאוד מרמות מקסימליות שדרושות להוכחת התופעה.
אם הנתונים האסטרופיזיים שיתקבלו יעמדו במבחן ויוכחו כמאושרים, הם יציבו את היסודות לתיאוריה המתמטית ותחזק את ההשערה כי השדה המגנטי העצום בחלל אכן משנה את תכונות האור ומאפשר אימות הפיזיקה הקוונטית במעבדה. במידה ויחול ויכוח על המיקום המדויק של התוצאות, המחקר ימשיך במטרה לגלות ולחקור תופעות נוספות, תוך שמירה על המטרה של הבנת העולם התת-מגנטי והקוואנטי סביבנו.
