Ein internationales Forschungsteam hat mit NASA-Teleskopen überzeugende Beweise für Vakuumdoppelbrechung erbracht. Dabei polarisierte ein extrem starkes Magnetfeld eines Neutronensterns Röntgenstrahlen messbar. Parallel dazu gelang Physikern in Cambridge die direkte Abbildung von Quantenfluktuationen in einem Bose-Einstein-Kondensat. Beide am 5.
Magnetar 1E 1547.0−5408 liefert den Nachweis der Vakuumdoppelbrechung
Rund 13.000 Lichtjahre von der Erde entfernt rotiert ein stellarer Überrest, der Astronomen neue Einblicke in die fundamentalen Gesetze des Kosmos gewährt. Das Objekt, der Magnetar 1E 1547.0−5408, besitzt etwa die Größe einer Stadt, übertrifft jedoch die Masse unserer Sonne und erzeugt ein Magnetfeld, das herkömmliche physikalische Beschreibungen an die Grenzen führt.
Bei diesem Effekt, den Werner Heisenberg und Hans Euler bereits im Jahr 1936 vorhergesagt hatten, reagiert das Vakuum des leeren Raums unter dem Einfluss eines enormen Magnetfelds unterschiedlich auf verschiedene Polarisationen von Licht. Vereinfacht ausgedrückt verhält sich der leere Raum in dieser extremen Umgebung ähnlich wie ein doppelbrechender Kristall. Die am 5. August 2026 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Ergebnisse von Rachael Stewart, Hoa Dinh Thi und Kolleginnen und Kollegen stützen sich auf präzise Messdaten der NASA und bodenbasierte Radioastronomie.
Röntgen- und Radiopolarisation im koordinierten Beobachtungsfeld
Der Nachweis gelang durch eine beispiellose Kombination aus Röntgendaten und Radiomessungen. Das Imaging X-ray Polarimetry Explorer, kurz IXPE, beobachtete das Objekt zwischen dem späten März und Anfang April 2025 über einen Zeitraum von mehr als 140 Stunden. Dabei analysierten die Forschenden die Verteilung von Elektronenbahnen nach der Absorption von Röntgenstrahlen in den Gasdetektoren des Observatoriums, um die Eigenschaften der einfallenden Photonen zu rekonstruieren.
Die Messungen ergaben über das 2- bis 8-Kiloelektronenvolt-Band hinweg eine phasenmittelte Polarisation der Röntgenstrahlen von 46 ± 4 Prozent. Im weicheren 2- bis 3-Kiloelektronenvolt-Bereich stieg dieser Wert auf 59 ± 5 Prozent, während ein gemeinsames Spektralmodell die thermische Komponente bei 2 Kiloelektronenvolt auf eine Polarisation von 65 ± 8 Prozent bezifferte. Sortierten die Forschenden die Daten nach der Rotationsphase des Sterns, ergab sich sogar ein Peak von 82 ± 15 Prozent bei einem gemessenen Minimum von 42 ± 12 Prozent.
Um alternative Erklärungen auszuschließen und eine exakte geometrische Modellierung zu ermöglichen, zog das Team simultane Radiobeobachtungen heran. Das Radioteleskop Murriyang in Parkes in Australien, bekannt als das Parkes-Teleskop, lieferte unabhängige Daten, welche die Ausrichtung der magnetischen und rotatorischen Pole des Neutronensterns einschränkten. Zusätzliche Zeitmessungen und Spektraldaten stammten vom NASA-Teleskop NICER.
Direkte Abbildung von Quantenfluktuationen im Labor
Während das astrophysikalische Experiment die makroskopischen Auswirkungen extremer Felder testete, gelang einer Arbeitsgruppe an der University of Cambridge ein weiterer Durchbruch im Mikrokosmos. Physiker um Yansheng Zhang bildeten Quantenfluktuationen des Vakuums in einem künstlichen Quantenfeld direkt ab. Die Ergebnisse wurden als Preprint auf arXiv veröffentlicht.
Da die Quantenfluktuationen des leeren Raums extrem schwach und flüchtig sind, griffen die Forscher zu einem physikalischen Trick: Sie bauten ein simuliertes Quantenfeld in Form eines zweidimensionalen Bose-Einstein-Kondensats aus Kalium-39-Atomen. Die Atome wurden dafür nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt, so dass sie sich wie ein einziges quantenmechanisches System verhalten.
Die Wissenschaftler koppelten zwei innere Zustände der Kaliumatome über Radiowellen, sodass die Spin-Variationen im Kondensat das Verhalten eines Quantenfeldes nachbildeten. Durch plötzliche Veränderungen der Kopplungsstärke verstärkten sie das Grundrauschen des Feldes gezielt, um die Quantenuntermalung und das unvermeidbare Grundzittern der Oszillatoren sichtbar zu machen. Die Forscher betonten in ihrer Arbeit die Bedeutung solcher Simulationen für die Untersuchung relativistischer Felder unter ansonsten unzugänglichen Bedingungen.
Verbindung zwischen Kosmologie und Quantenmechanik
Beide Forschungsarbeiten berühren fundamentale Fragen der Quantenelektrodynamik. Während die theoretischen Vorhersagen von Heisenberg und Euler im Fall des Magnetars 1E 1547.0−5408 durch kosmische Röntgen- und Radiostrahlung bestätigt wurden, öffnen die Laborexperimente mit Bose-Einstein-Kondensaten neue Wege zur direkten Beobachtung jener Fluktuationen, die nach gängigen kosmologischen Modellen bereits im frühen Universum als winzige Dichteschwankungen den Grundstein für die Entstehung von Galaxien legten.
