Eine NASA-Mission zur Erforschung von Röntgenstrahlen aus dem Weltraum könnte gerade eine Theorie bestätigt haben, die seit neun Jahrzehnten besteht. Der Imaging X-ray Polarimetry Explorer, kurz IXPE, hat Daten gesammelt, die darauf hindeuten, dass Magnetare, die magnetischsten bekannten Sterne, sich genau so verhalten, wie Wissenschaftler in den 1930er Jahren vorhergesagt haben. Wenn bestätigt, wäre dies der erste direkte Beweis für ein Konzept, das unser Verständnis dieser extremen Objekte geprägt hat.
Ein 90 Jahre altes Rätsel bekommt endlich eine Antwort
Magnetare sind eine Art Neutronenstern, der kollabierte Kern eines massereichen Sterns, der als Supernova explodiert ist. Sie sind winzig, nur etwa 19 Kilometer im Durchmesser, aber ihre Magnetfelder sind so intensiv, dass sie Atome verformen und Röntgenstrahlen in ihrer Nähe ablenken können. Jahrzehntelang haben Astrophysiker theoretisiert, dass diese Magnetfelder so stark sind, dass sie die Art und Weise beeinflussen, wie Licht und Materie um den Stern herum interagieren. Aber niemand hatte diesen Effekt je direkt beobachtet.
Hier kommt IXPE ins Spiel. Das im Dezember 2021 gestartete Weltraumobservatorium misst die Polarisation von Röntgenstrahlen, also die Richtung, in der die Lichtwellen schwingen. Durch die Untersuchung von Röntgenstrahlen eines Magnetars namens 4U 0142+61, der etwa 13.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Kassiopeia liegt, könnte die Mission den ersten Blick auf ein Phänomen namens Vakuum-Doppelbrechung erhascht haben.
Was die Daten zeigen und warum es wichtig ist
Vakuum-Doppelbrechung ist ein Quanteneffekt, der 1936 von zwei deutschen Physikern, Werner Heisenberg und Hans Euler, vorhergesagt wurde. Sie schlugen vor, dass leerer Raum in Gegenwart eines extrem starken Magnetfelds selbst polarisiert wird, was bedeutet, dass er Licht je nach Richtung leicht biegen oder verlangsamen kann. Dieser Effekt ist unglaublich subtil und wurde bis jetzt nie in einer natürlichen Umgebung beobachtet.
IXPE entdeckte, dass die Röntgenstrahlen des Magnetars auf eine Weise polarisiert waren, die den Vorhersagen der Vakuum-Doppelbrechung entspricht. Der Polarisationswinkel war mit dem Magnetfeld des Sterns ausgerichtet, und der Polarisationsgrad war höher als ohne den Effekt zu erwarten wäre. Das ist genau das, was die Theorie vorhersagt, und es ist das erste Mal, dass ein solches Signal von einem Magnetar gesehen wurde.
Das Team hinter der Entdeckung, geleitet von Forschern der Universität Padua in Italien, veröffentlichte seine Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature Astronomy. Sie warnen, dass weitere Beobachtungen nötig sind, um andere Erklärungen auszuschließen, aber die Übereinstimmung ist auffällig.
Ein neues Fenster in die Quantenwelt
Für die Menschen, die diese Objekte untersuchen, ist das Ergebnis mehr als nur die Bestätigung einer alten Idee. Es ist eine Demonstration, dass IXPE Effekte sehen kann, die einst als unbeobachtbar galten. Die Mission wurde entwickelt, um die Polarisation von Röntgenstrahlen aus kosmischen Quellen zu untersuchen, und diese Entdeckung zeigt, dass sie die Natur von Raum und Zeit nahe der extremsten Objekte im Universum erforschen kann.
Der betreffende Magnetar, 4U 0142+61, ist einer von etwa 30 bekannten Magnetaren in unserer Galaxie. Er wurde 1994 entdeckt und seitdem intensiv untersucht. Aber diese neue Beobachtung fügt eine Ebene von Details hinzu, die zuvor fehlte. Sie zeigt, dass das Magnetfeld um den Stern nicht nur ein statisches Merkmal ist, sondern eine aktive Rolle dabei spielt, wie Licht durch die Region reist.
Wenn das Ergebnis Bestand hat, wäre es der erste direkte Beweis, dass Vakuum-Doppelbrechung in der Natur existiert. Das wäre ein großer Meilenstein für die Physik und würde eine Vorhersage bestätigen, die lange vor der Technologie gemacht wurde, um sie zu testen. Es würde auch neue Fragen darüber eröffnen, wie Magnetfelder mit Licht und Materie unter extremen Bedingungen interagieren.
Für jetzt plant das Team Folgebeobachtungen anderer Magnetare, um zu sehen, ob der Effekt konsistent ist. Die Theorie hat 90 Jahre auf eine mögliche Bestätigung gewartet, und sie muss vielleicht nicht viel länger warten.
