真空能否与光发生相互作用，甚至改变光的性质？

对磁化恒星核心的观测表明：在超强磁场中，真空可以使光发生偏振。

外层空间的极端环境，让天文学家得以研究光与物质，这些条件远远超出地球上最先进实验室的能力范围。例如，很早之前就有理论预言：如果真空充斥着极强磁场，真空本身就可以改变光的性质。这类强磁场目前仅在年轻中子星（一类坍缩后的恒星核心）周围被发现，其中磁场最强的属于一类罕见子类——磁星。斯图尔特等人在《自然》发表的论文¹报道了对一颗磁星的观测结果：来自该星体的光线穿过磁星磁场时，会因为和真空发生相互作用，偏振程度升高。

光是一种电磁场，其振动方向与传播方向互相垂直。如果光只在单一平面内振动，就称为线偏振光。偏振光有两个关键特征：偏振度（强度指标；光波振动方向随机时为0，全部光波沿同一平面振动时为1）；以及振动方向与传播垂直平面内参考轴之间的偏振角。

双折射，又叫重折射，是指材料的折射率（决定光在介质中的传播速度）随光的偏振状态发生改变。当光线入射方解石这类双折射材料时，会分解成两束偏振方向互相垂直的光。该效应会导致透过介质看到的物体呈现重影。晶体的偏振方向由晶格中原子各向异性（随方向变化）的空间排布决定。但在宇宙空间，绝大部分物质是高度带电的气体，也就是等离子体，偏振方向通常由磁场决定。磁场会约束等离子体内带电粒子的运动，粒子行为取决于磁力线的走向。

20世纪30年代，维尔纳·海森堡与汉斯·海因里希·欧拉做出预言：当磁场足够强时，即便空无一物的真空，也可以表现出双折射介质的特性。该现象由量子电动力学理论描述：真空环境下，光与磁场的相互作用由转瞬即逝的“虚”带电粒子所代表的量子涨落来介导²。尽管已有相关间接证据被报道³⁴，但真空双折射至今尚未被直接观测证实。

斯图尔特等人利用多台设备观测磁星1E 1547.0−5408：美国国家航空航天局的X射线成像偏振探测器（IXPE）卫星、国际空间站上的中子星内部成分探测器（NICER），以及澳大利亚新南威尔士州帕克斯天文台的穆里亚昂望远镜。磁星拥有宇宙已知最强磁场，主要辐射源来自星体表面发出的X射线⁵。磁星自转速度极快，典型自转周期仅数秒，辐射在星体表面分布并不均匀。从地球视角看，磁星如同灯塔，观测到的X射线流量会反复强弱起伏，天文学家将这种流量变化称为脉冲。

磁星的强磁场会让星体表层上方的等离子体产生双折射效应。磁星表面各处磁场方向各不相同，到达观测者的光子就会拥有各式各样的偏振方向。这会压低整体偏振度，并且随着星体自转，偏振角会出现无规则变化。

而真空双折射会改变上述图景：它可以让光线的偏振方向，在远超出星体表面的距离上，持续跟随磁场方向。在该距离处，磁星可视面不同位置发出的光线，所遭遇的磁场方向大致趋同。因此理论上，真空双折射会提升磁星光线的整体偏振水平。

借助X射线观测，研究团队发现：当中子星自转，改变朝向地球的视线方向时，来自1E 1547.0−5408的光线偏振角符合偶极磁场下的偏振规律（图1）。据此，研究人员估算出该磁星自转轴与磁轴的夹角，以及自转轴和地球观测视线之间的夹角。这类X射线测量在2021年IXPE卫星发射之前根本无法实现。团队还发现，相较于IXPE以往对其他磁星的观测结果⁶⁷，该天体的偏振度异常偏高。

> 示意图：磁星的真空双折射效应。星体极强磁场迫使向外传播的光线顺着磁场方向发生偏振。

>图1｜真空双折射使磁星发出的光产生偏振

> 理论预言，在极强磁场下，光在真空中的传播行为会依赖于光的偏振状态。斯图尔特等人¹在X射线与射电波段，观测磁化中子星（磁星）1E 1547.0−5408，找到了这种被称为真空双折射的效应证据。结果表明：磁星磁轴与自转轴夹角很小，地球观测视线几乎平行于自转轴，射电辐射产生于磁极区域。对大片辐射区域取平均后，星体直接出射光的偏振度较低。但真空双折射会强制光线偏振方向跟随磁星磁场。即使磁场方向发生改变，垂直于磁场方向偏振的光依旧保持原有偏振。该效应持续发挥作用，直到光线传播到离磁星足够远的位置，星体可视面不同部位发出的光线所经历的磁场方向大体一致。

但受背景噪声干扰，仅凭X射线偏振数据，只能对星体几何构型（磁轴朝向、视线相对自转轴的角度）给出较弱约束。幸运的是，1E 1547.0−5408属于一类罕见磁星子类，还可以产生射电脉冲。学界认为这类射电辐射起源于磁星磁极附近。通过对该天体的射电观测，作者算出自转轴‑磁轴夹角约3°，自转轴到地球视线的夹角约7.5°。研究同时发现，射电辐射产生位置距离中子星表面很近，和辐射源自磁极附近的模型相符。

如果不存在真空双折射，部分理论模型⁸预测：当磁极扫过地球视线时，X射线偏振度的下降幅度会远大于1E 1547.0−5408的实际观测结果。但该解读成立的前提，是团队给出的磁星几何构型必须正确。射电数据显示自转轴与磁轴高度重合；在该几何设定下，如果没有真空双折射，就很难解释观测到的高X射线偏振度。

不过，多种磁星几何构型都有可能产生这套X射线信号，不能排除射电辐射与X射线辐射来自星体不同区域。如果星体倾角更大，自转轴与磁轴夹角很大，那么观测到的偏振现象就可以直接由星体表面等离子体辐射解释，不需要引入量子电动力学效应⁶。

与此相对，斯图尔特团队观测到：在光子能量更低的区间，X射线偏振度快速下降。他们提出，该现象对应某一光子能量阈值，在该阈值处等离子体双折射效应与量子真空效应强度相当，这也可以作为量子真空效应的另一项潜在观测特征。

想要获得真空双折射的确凿直接观测证据，一方面需要理论模型进一步完善，另一方面需要开展协同天文观测，对多颗磁星进行观测，覆盖更宽的电磁波段。这类观测不仅能够完整构建磁星的能量产生机制，也将帮助科学家解答长期悬而未决的难题：物理定律在极端条件下会如何表现。

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-026-02289-8

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