Ruang hampa yang terlihat kosong ternyata dapat memiliki pengaruh terhadap cahaya. Kesimpulan ini kembali mendapat dukungan kuat dari pengamatan sebuah bintang mati dengan medan magnet ekstrem, yang membantu ilmuwan menguji prediksi fisika kuantum yang telah berusia sekitar 90 tahun.
Penelitian yang dipimpin Rachael Stewart dari George Washington University memanfaatkan pengamatan sinar-X terhadap magnetar 1E 1547-5408. Data tersebut memberikan bukti kuat bahwa medan magnet yang sangat ekstrem dapat mengubah sifat ruang hampa dan memengaruhi cara cahaya merambat di dalamnya.
Ruang hampa ternyata tidak sepenuhnya kosong
Dalam pemahaman sehari-hari, ruang hampa sering dianggap sebagai wilayah tanpa materi. Namun, mekanika kuantum memberikan gambaran yang jauh lebih rumit. Pada tingkat subatomik, ruang kosong dapat dipandang sebagai lingkungan yang dipengaruhi oleh partikel virtual, termasuk pasangan elektron dan positron yang muncul dan menghilang dalam waktu sangat singkat.
Gagasan tersebut berkaitan dengan prediksi yang diajukan Werner Heisenberg dan Hans Euler pada 1936. Mereka memperkirakan bahwa medan elektromagnetik yang sangat kuat dapat memengaruhi karakteristik ruang hampa melalui proses yang berasal dari efek kuantum.
Salah satu konsekuensinya adalah vacuum birefringence. Dalam fenomena ini, cahaya yang melewati ruang dengan medan magnet ekstrem dapat mengalami perubahan polarisasi. Secara sederhana, ruang hampa dalam kondisi tersebut dapat bertindak seolah-olah memiliki sifat optik tertentu, menyerupai prisma yang memengaruhi perjalanan cahaya.
Magnetar menjadi laboratorium alami
Untuk menguji prediksi tersebut, para ilmuwan membutuhkan medan magnet yang jauh lebih kuat daripada yang dapat dibuat manusia di Bumi. Magnetar menjadi objek yang sangat penting karena merupakan sisa padat dari bintang masif yang telah mengalami ledakan dan memiliki medan magnet terkuat yang diketahui di alam semesta.
Menurut penelitian tersebut, kondisi ekstrem di sekitar magnetar menyediakan laboratorium alami untuk menguji teori fisika dalam lingkungan yang tidak mungkin direplikasi dengan eksperimen biasa di Bumi.
Dalam pengamatan sebelumnya, astronom telah menemukan petunjuk mengenai fenomena serupa. Pada 2017, pengamatan menggunakan Very Large Telescope di Chile menunjukkan tanda polarisasi pada neutron star RX J1856.5-3754. Namun, hasil tersebut belum dianggap sebagai bukti definitif karena sinyal optik relatif sulit dipisahkan dari faktor lain.
IXPE mengamati magnetar 1E 1547-5408
Kesempatan baru muncul setelah Imaging X-ray Polarimetry Explorer atau IXPE milik NASA diluncurkan pada 2021. Observatorium tersebut dirancang untuk mengukur polarisasi sinar-X berenergi tinggi, sehingga memungkinkan ilmuwan mempelajari karakter cahaya dari objek ekstrem dengan lebih detail.
Pada Maret dan April 2025, tim peneliti mengarahkan IXPE ke magnetar 1E 1547-5408. Objek tersebut memiliki karakteristik yang menarik karena berputar sekali dalam sekitar dua detik dan dikenal memancarkan gelombang radio secara stabil.
Data dari IXPE kemudian dilengkapi dengan pengamatan teleskop sinar-X yang berada di Stasiun Luar Angkasa Internasional, teleskop radio Murriyang di Australia, serta fasilitas South African Radio Astronomy Observatory. Kombinasi data dari berbagai panjang gelombang membantu peneliti membandingkan karakteristik sinyal magnetar secara lebih menyeluruh.
Dua petunjuk utama mengarah pada efek kuantum
Peneliti menemukan dua karakteristik penting dalam data tersebut. Pertama, sinar-X dari magnetar menunjukkan tingkat polarisasi yang hampir tiga kali lebih tinggi dibandingkan sumber serupa. Nilai tersebut sulit dijelaskan hanya melalui model standar mengenai emisi dari permukaan bintang neutron.
Kedua, arah polarisasi sinar-X ternyata sejalan dengan arah medan magnet magnetar. Pola tersebut juga sesuai dengan pola yang sebelumnya terlihat pada gelombang radio dari objek yang sama.
Kombinasi kedua temuan tersebut membuat para peneliti menyimpulkan bahwa vacuum birefringence merupakan penjelasan yang paling sesuai dengan data yang diperoleh. Fenomena ini menjadi penting karena memberikan cara untuk menguji prediksi mekanika kuantum menggunakan objek astronomi yang berada sangat jauh dari Bumi.
Mengapa medan magnetnya begitu ekstrem?
Besarnya medan magnet yang dibutuhkan untuk mendeteksi efek tersebut menjadi salah satu alasan mengapa magnetar sangat berharga bagi penelitian. Salah satu peneliti, Marcus Lower, menjelaskan bahwa medan magnet yang dibutuhkan untuk mendeteksi vacuum birefringence lebih dari 100 juta kali lebih kuat daripada medan magnet yang pernah dibuat manusia di Bumi.
Dengan kondisi seperti itu, magnetar dapat berfungsi sebagai laboratorium kosmik. Para ilmuwan tidak perlu menciptakan medan magnet ekstrem di laboratorium karena alam telah menyediakan lingkungan yang sesuai di sekitar bintang-bintang mati tersebut.
Dari pengamatan bintang menuju pengujian hukum alam
Penelitian ini menunjukkan bahwa pengamatan astronomi tidak hanya digunakan untuk mengetahui posisi, usia, atau karakteristik benda langit. Objek ekstrem seperti magnetar juga dapat digunakan untuk menguji teori dasar mengenai bagaimana alam semesta bekerja.
Dalam kasus 1E 1547-5408, sinyal yang dipancarkan objek tersebut memungkinkan ilmuwan menguji prediksi yang pertama kali muncul pada 1936. Dengan demikian, sebuah bintang mati yang berada jauh di luar Bumi dapat membantu menguji perilaku ruang hampa pada tingkat kuantum.
Temuan ini juga tidak berarti seluruh pertanyaan telah terjawab. Tim peneliti masih menginginkan data tambahan untuk memastikan hasil pengamatan dan membedakan sinyal vacuum birefringence dari proses lain yang dapat terjadi di sekitar magnetar.
Pengamatan lanjutan masih diperlukan
Para peneliti berharap data dari misi masa depan dapat memperkuat kesimpulan tersebut. Salah satu misi yang disebut dalam penelitian adalah GoSOX atau Globe Orbiting Soft X-ray Polarimeter. Pengembangan simulasi komputer yang lebih baik juga diharapkan membantu ilmuwan memahami secara lebih rinci bagaimana sinyal polarisasi terbentuk di lingkungan magnetar.
Penelitian ini telah dipublikasikan pada 5 Agustus di jurnal Nature. Jika hasilnya terus diperkuat oleh pengamatan berikutnya, magnetar dapat menjadi salah satu alat penting untuk menguji teori fisika fundamental melalui fenomena alam yang tidak mungkin dibuat kembali di Bumi.
Pada akhirnya, misteri berusia hampir satu abad tersebut memperlihatkan bahwa konsep ruang kosong tidak sesederhana yang terlihat. Di bawah kondisi ekstrem, bahkan wilayah yang tampak tidak berisi apa pun dapat memperlihatkan efek kuantum yang memengaruhi perjalanan cahaya dan membuka jalan bagi pengujian hukum alam.
