Chân không đáng lẽ phải trống — tia X của sao từ vừa chứng minh điều ngược lại

Khoảng không gian giữa một sao từ và Trái Đất không hề trống rỗng. Theo điện động lực học lượng tử, kết cấu của chân không được đan cài bởi các hạt ảo liên tục xuất hiện rồi biến mất, và khi có mặt một từ trường phi thường, chúng tạo ra một áp suất có thể đo lường được lên ánh sáng đi qua. Werner Heisenberg là người đầu tiên tính toán hiệu ứng này vào năm 1936. Tám thập kỷ sau, chưa có kính thiên văn nào tìm thấy bằng chứng trực tiếp cho thấy nó là có thật.

IXPE của NASA giờ đây đã thay đổi điều đó. Bằng cách hướng các thiết bị đo phân cực tia X của mình vào sao từ 1E 1547.0-5408 trong hơn 140 giờ, một nhóm nghiên cứu do Rachael Stewart tại Đại học George Washington và Hoa Dinh Thi tại Đại học Rice dẫn đầu đã phát hiện các giá trị phân cực mà không có lý thuyết vật lý thiên văn tiêu chuẩn nào giải thích được — trừ khi chính chân không đang tác động lên ánh sáng.

IXPE đã đo được gì — và tại sao con số đó lại quan trọng

IXPE không chỉ đơn thuần đếm các photon tia X; nó đo hướng dao động của chúng. Hướng đó chính là độ phân cực. Hầu hết các nguồn tia X trong vật lý thiên văn đều tạo ra độ phân cực khiêm tốn, bởi vì plasma phát xạ hỗn loạn và các photon thoát ra theo nhiều hướng khác nhau. Các sao từ thì khác: từ trường của chúng có trật tự đến mức ngay cả khi không có hiệu ứng chân không, các tia X phát ra vẫn mang một dấu hiệu phân cực có thể phát hiện được.

Nhóm nghiên cứu đã đo được độ phân cực 40% từ hình nón phát xạ phía trên và 80% từ hình nón phía dưới — những giá trị cao gần gấp ba lần so với bất kỳ sao từ nào tương tự từng ghi nhận được trong các quan sát IXPE trước đây. Các nhà nghiên cứu cũng kết hợp dữ liệu IXPE với các quan sát đồng thời từ kính thiên văn NICER của NASA trên Trạm Vũ trụ Quốc tế và kính thiên văn vô tuyến Parkes của CSIRO tại Úc. Cách tiếp cận phối hợp ba thiết bị này là lần đầu tiên đối với bất kỳ sao từ nào và mang lại cho nhóm nghiên cứu một bức tranh đầy đủ bất thường về nơi phát ra tia vô tuyến và tia X cũng như mối liên hệ giữa chúng.

Hình học ở đây đóng vai trò quan trọng. Sao từ 1E 1547.0-5408 tình cờ có trục từ và trục quay gần như thẳng hàng, và những người quan sát trên Trái Đất tình cờ nhìn gần như thẳng xuống cực từ. Sự thẳng hàng này khuếch đại tín hiệu chân không: thay vì nhìn thấy ánh sáng ở một góc xiên, IXPE đang nhìn dọc theo trục nơi từ trường mạnh nhất và nơi hiệu ứng lưỡng chiết chân không (vacuum birefringence) lẽ ra phải rõ rệt nhất.

Dự đoán 90 năm tuổi

Hiệu ứng lưỡng chiết chân không được Heisenberg và Hans Heinrich Euler tính toán vào năm 1936 như một hệ quả của điện động lực học lượng tử. Lý thuyết cho rằng chân không không phải là một phông nền thụ động cho các sự kiện, mà là một môi trường động chứa đầy các hạt ảo. Ở những vùng có cường độ từ trường thông thường — bao gồm cả những từ trường mạnh nhất từng được tạo ra trong phòng thí nghiệm — các hạt ảo này không có tác dụng đáng kể nào lên ánh sáng. Nhưng xung quanh một sao từ, với từ trường đạt tới khoảng một nghìn tỷ lần cường độ từ trường Trái Đất, chúng trở nên không thể bỏ qua.

Cơ chế là sự lọc lựa. Ánh sáng dao động song song với từ trường truyền qua môi trường hạt ảo với tốc độ hơi khác so với ánh sáng dao động vuông góc với nó. Kết quả là một hướng phân cực được ưu tiên bảo toàn và hướng kia bị triệt tiêu, khiến ánh sáng thoát ra có độ phân cực cao hơn nhiều so với lúc phát xạ. Các nhà thiên văn gọi đây là hiệu ứng lưỡng chiết, cùng một thuật ngữ dùng cho các tinh thể lưỡng chiết — nhưng môi trường ở đây, về mặt danh nghĩa, là không gian trống rỗng.

Các nỗ lực trước đây nhằm phát hiện hiệu ứng này đã vấp phải hai vấn đề. Các sao từ khác hoặc có trục từ định hướng ở các góc làm loãng tín hiệu, hoặc hình học phát xạ của chúng bị ràng buộc kém. Sao từ 1E 1547.0-5408 đã né tránh được cả hai vấn đề này.

Điều mà sao từ này có mà những sao từ khác không có

Các quan sát phối hợp tia vô tuyến và tia X đã cung cấp cho nhóm nghiên cứu thông tin về hình học của sao từ mà nếu chỉ dùng tia X thì không thể có được. Phát xạ vô tuyến từ các sao từ vạch ra các đường sức từ một cách chính xác; kính thiên văn Parkes của CSIRO đã theo dõi cách phân cực vô tuyến xoay chuyển trong suốt chu kỳ quay 2,1 giây, xác định chính xác hướng của cả trục từ và trục quay. Mô hình hình học đó sau đó được đưa vào phân tích tia X, cho phép Stewart và các đồng nghiệp tách biệt độ phân cực phát xạ nền khỏi sự gia tăng do lưỡng chiết chân không ở phía trên.

Kết quả phù hợp với các dự đoán lý thuyết cả về độ lớn lẫn sự phụ thuộc góc trong suốt chu kỳ quay. Không chỉ mức độ phân cực khớp với dấu hiệu của lưỡng chiết chân không — mà còn là cách mức độ đó thay đổi khi sao từ quay.

Tại sao phát hiện này vẫn chưa được khẳng định

Khoa học luôn thận trọng với những tuyên bố phi thường, và tuyên bố này thuộc loại đó. Một phân tích đồng hành được công bố vào tháng 4 năm 2026, bởi một nhóm độc lập làm việc với cùng dữ liệu IXPE nhưng sử dụng một mô hình hình học khác cho vùng phát xạ, đã kết luận rằng dữ liệu chưa thể được coi là bằng chứng thuyết phục cho lưỡng chiết chân không. Sự bất đồng xoay quanh các giả định về vị trí chính xác của các tia X phát ra và mối liên hệ giữa hình học phát xạ với từ trường. Stewart và các đồng nghiệp đã sử dụng dữ liệu vô tuyến đồng thời để ràng buộc hình học đó; nhóm tháng 4 không có các phép đo vô tuyến phối hợp.

Sự khác biệt này không phải là dấu hiệu cho thấy một kết quả là sai. Nó là dấu hiệu cho thấy phép đo đang ở ranh giới của những gì các quan sát hiện tại có thể phân giải, và việc giải thích vật lý phụ thuộc một cách quyết định vào mức độ hiểu biết về hình học. Cần có thêm các quan sát IXPE đối với 1E 1547.0-5408, cùng với các mô phỏng cải tiến về vật lý phát xạ của sao từ, trước khi cộng đồng khoa học coi lưỡng chiết chân không là một điều đã được xác lập.

Các câu hỏi thường gặp về lưỡng chiết chân không

Việc không gian trống rỗng không thực sự trống rỗng có nghĩa là gì? Lý thuyết trường lượng tử dự đoán rằng chân không chứa một biển sôi động liên tục gồm các cặp hạt ảo xuất hiện và hủy lẫn nhau trong những khoảng thời gian quá ngắn để có thể phát hiện trực tiếp. Trong điều kiện thông thường, ảnh hưởng của chúng lên ánh sáng là không thể phát hiện. Trong từ trường của một sao từ, ảnh hưởng của chúng lên độ phân cực đủ lớn để IXPE có thể đo được.

Tại sao lại dùng sao từ mà không dùng nam châm trong phòng thí nghiệm? Nam châm trong phòng thí nghiệm chỉ đạt tối đa khoảng 45 tesla — mạnh, nhưng thấp hơn nhiều bậc độ lớn so với từ trường nghìn tỷ tesla của một sao từ. Hiệu ứng lưỡng chiết chân không tỷ lệ với bình phương cường độ từ trường, điều đó có nghĩa là khi đi từ 45 tesla lên từ trường của một sao từ, tín hiệu sẽ lớn hơn khoảng một triệu tỷ tỷ lần.

IXPE là gì và tại sao nó là thiết bị phù hợp? Kính thiên văn Khám phá Phân cực Tia X (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) của NASA được phóng vào năm 2021 với mục đích cụ thể là đo hướng phân cực của ánh sáng tia X. Các kính thiên văn tia X trước đây có thể đo độ sáng và quang phổ nhưng không đo được độ phân cực, vì vậy tín hiệu lưỡng chiết chân không luôn bị ẩn trong dữ liệu không thể phân giải được nó.

Điều này có thay đổi cách chúng ta nghĩ về không gian trống rỗng không? Nếu được xác nhận bởi các quan sát sâu hơn, đây sẽ là minh chứng trực tiếp đầu tiên cho thấy chân không lượng tử có các hiệu ứng vật lý lên ánh sáng trong không gian tự do. Nó cũng sẽ cung cấp một phép thử nghiệm mới cho điện động lực học lượng tử trong một chế độ năng lượng mà không một máy gia tốc hạt nào có thể đạt tới.

Nhóm IXPE có kế hoạch thực hiện các quan sát sâu hơn đối với 1E 1547.0-5408 và các sao từ có vị trí thuận lợi khác trong chu kỳ quan sát tới. Bước quan trọng tiếp theo là mở rộng phạm vi phủ sóng vô tuyến và tia X đồng thời, giúp các mô hình hình học có được những ràng buộc tốt hơn. Nếu độ phân cực vượt trội vẫn được duy trì qua các quan sát bổ sung và cuộc tranh luận về hình học được giải quyết, nó sẽ đánh dấu dự đoán đầu tiên được xác nhận bằng thực nghiệm từ lĩnh vực chân không của QED vượt ra ngoài những gì vật lý phòng thí nghiệm có thể kiểm tra.

Được công bố vào tháng 8 năm 2026.

Tài liệu tham khảo: Stewart et al., “Vacuum birefringence and the polarized X-ray emission from a radio magnetar,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10859-z

Thẻ: physics, IXPE, magnetar, quantum electrodynamics, vacuum birefringence