真空也能改变光？90年前的预言迎来最强证据

磁陀星是一类孤立的中子星，拥有可观测宇宙中已知最强的磁场，其表面磁场强度可高达10¹⁴-10¹⁵高斯。这些具有超强磁性的中子星，被普遍认为是很有潜力的“天然天体物理实验室”，可以用来检验在极强磁场条件下出现的奇异、非线性量子电动力学过程。

量子电动力学预言，在极强磁场中，真空本身也会像某些晶体一样，对不同偏振方向的光产生不同影响。这种被称为“真空双折射”的现象，提出已有90年，却始终未被直接观测到。

如今，在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个研究团队报告了对磁陀星1E 1547-5408的观测。结果表明，来自这颗磁陀星的光在穿过其磁场时，由于与真空发生相互作用，偏振程度会增强。

真空双折射

光是一种电磁场，其振荡方向与传播方向垂直。如果光只在一个平面内振荡，它就属于线偏振光。偏振光可以用两个量来描述：一是偏振强度，以偏振度衡量；偏振度为0，表示光波的振荡方向完全随机，偏振度为1，则表示所有光波都在同一个平面内振荡。二是偏振角，也就是在垂直于光传播方向的平面内，光的振荡方向与某一参考轴之间的夹角。

当一种材料的折射率取决于光的偏振方向时，就会发生双折射。折射率决定了光在材料中的传播速度。当光射入双折射材料时，会分裂成两束偏振方向彼此垂直的光。因此，透过这种材料观察物体时，会看到重叠的两个影像。

1936年，维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）和汉斯·海因里希·欧拉（Hans Heinrich Euler）预言，在足够强的磁场中，即使是空无一物的真空，也会表现得像一种双折射介质。根据量子电动力学，真空中的光与磁场之间并非毫无相互作用，而是通过量子涨落发生耦合。虽然已有研究报告了真空双折射存在的间接证据，但这一现象尚未被直接观测到。

磁陀星周围的超强磁场，恰好为检验这一预言提供了天然实验室。

真空如何放大偏振信号

1E 1547−5408是一颗十分独特的磁陀星，会持续发出明亮的射电辐射和X射线，大约每2.1秒自转一周。对于地球上的观测者来说，磁陀星就像一座灯塔：观测到的X射线流量会反复升高和降低。

磁陀星1E 1547.0−5408的艺术构想图。从它的两个磁极延伸出的蓝色曲线代表磁力线。这颗磁陀星会发出强烈的射电辐射和X射线辐射。在其2.1秒的自转周期中，两种辐射的峰值出现于不同的旋转相位。这表明，主要的X射线发射区可能是一个偏离磁轴的次级“热点”。图中，这些辐射区被表示为锥形区域：颜色较浅的蓝色射电辐射在磁场对称轴方向达到峰值，而颜色较深的蓝色X射线辐射则在其下方达到峰值。（图/NASA/Pablo Garcia）

由于磁陀星具有强大的磁场，其表面上方的等离子体会呈现双折射性质。磁场方向在磁陀星表面的不同位置并不相同，因此，从各个位置出发并最终到达观测者的光子，预计会具有不同的偏振方向。这会降低光的整体偏振度，并使偏振角随着恒星自转而不规则变化。

然而，如果真空双折射效应真的存在，那么将会改变这一图景：因为它会使光的偏振方向在传播到远离磁陀星表面的区域时，仍然跟随磁场的取向变化。在这样的距离上，从磁陀星可见表面不同区域发出的光线，所经历的磁场已经大致指向同一方向。因此，真空双折射预计会提高来自磁陀星的光的净偏振度。

异常高的偏振信号

2025年3月至4月，科学家利用成像X射线偏振探测器（IXPE），对磁陀星1E 1547−5408进行了超过140小时的观测。此外，他们还联合使用了安装在国际空间站的中子星内部组成探测器（NICER），以及位于澳大利亚新南威尔士州帕克斯天文台的Murriyang望远镜。

利用这些观测结果，研究人员发现，这颗磁陀星辐射的偏振程度几乎是类似天体的三倍。如此高的偏振度令人意外，因为根据这颗磁陀星的磁场几何结构，在其自转到某些位置时，观测到的偏振度本应接近于零。标准的恒星表面辐射模型同样无法解释如此大的偏振度，这意味着一定还有某种效应在增强光的偏振。

不过，仅凭X射线偏振数据，很难对这颗恒星的几何结构作出严格限制。幸运的是，1E 1547.0−5408还会在射电波段发出脉冲。这些射电辐射被认为来自磁陀星磁极附近。通过对1E 1547.0−5408开展射电观测，研究人员计算出，它的自转轴与磁场轴之间的夹角约为3度，而自转轴与地球观测视线之间的夹角约为7.5度。

研究团队开展了计算机模拟。模拟表明，要重现观测到的X射线偏振特征，同时满足射电观测所设定的约束条件，就必须在这颗磁陀星周围的环境中考虑真空双折射的存在。这些模拟结果支持了这样一种可能性：观测到的独特信号正是由真空双折射造成的。

最强证据，仍待确认

这是人类首次对一颗磁陀星开展协调同步的射电与X射线偏振测量。从这颗磁陀星测得的高偏振度，为真空双折射这一理论预言提供了强有力的支持，并可能是人类首次直接观测到这种效应。

未来，IXPE将继续观测这颗磁陀星及其他磁陀星，以进一步确认这一信号，并有望发现量子电动力学在超强磁场下产生的其他罕见效应。

#参考来源：

https://science.nasa.gov/missions/ixpe/nasas-ixpe-may-have-proven-90-year-old-theory/

https://www.nature.com/articles/d41586-026-02289-8

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10859-z

#图片来源：

封面图&首图：NASA/Pablo Garcia