Le cristal cosmique : comment un magnétar réfracte le vide ✛
En 1936, deux physiciens, Werner Heisenberg et Hans Euler, en travaillant sur les équations de l'électrodynamique quantique, découvrirent quelque chose d'étrange. Dans un champ magnétique suffisamment intense, le vide devrait cesser d'être vide. Il devrait devenir semblable à un cristal : la lumière d'une certaine polarisation s'y propagerait un peu plus vite, celle d'une autre polarisation un peu plus lentement. Ce phénomène fut nommé biréfringence du vide. Pendant près de quatre-vingt-dix ans, il est resté une belle théorie. Aucun endroit dans l'Univers ne présentait un champ assez fort pour que l'effet devienne perceptible.
Ce lieu s'est révélé être le magnétar 1E 1547.0-5408. C'est une étoile à neutrons dont le champ magnétique atteint environ 2.2×$10^{14}$ gauss, soit des quadrillions de fois celui de la Terre. Dans un tel champ, le vide doit effectivement se comporter comme un milieu anisotrope, réfractant les rayons X selon leur polarisation. En 2023, le polarimètre spatial IXPE a été pointé vers cette étoile. Le résultat a dépassé les attentes : dans la gamme 2–3 keV, le degré de polarisation a atteint 59 %, et jusqu'à 82 % à certaines phases de rotation. C'est un record parmi les six magnétars jamais observés par IXPE.
Pour comprendre ce que le télescope a vu, les physiciens ont comparé les données à un modèle informatique de transfert radiatif dans une atmosphère magnétisée. Le modèle a été exécuté deux fois : une fois avec l'effet de biréfringence du vide, une fois sans. Sans l'effet, les courbes de polarisation théoriques oscillaient si fortement qu'elles s'écartaient des observations par un facteur de plusieurs dizaines. Avec l'effet, l'accord est devenu presque parfait. Ce n'est pas qu'une belle analogie : les mathématiques montrent que le vide réfracte réellement la lumière, comme une pierre précieuse.
Cette découverte change notre regard sur le vide. Le vide n'apparaît plus comme un néant : dans des champs extrêmes, il acquiert les propriétés d'un milieu matériel. Pour la physique des champs forts, c'est une confirmation attendue depuis longtemps d'une prédiction fondamentale. Pour l'astrophysique, c'est un nouvel outil : la polarisation des rayons X permettra de sonder la structure des champs magnétiques des étoiles à neutrons. Et pour les futures missions, comme GoSOX, c'est une référence : des observations dans des rayons X encore plus mous, où la polarisation pourrait dépasser 80 %, constitueront un test direct de l'électrodynamique quantique. Le cristal cosmique est trouvé. Il reste à le tailler.
Le champ magnétique du magnétar 1E 1547.0-5408 est si intense qu'à 1000 km de l'étoile, il dépasse encore de plusieurs millions de fois celui des aimants de laboratoire les plus puissants.
Dans le roman de Stanislas Lem « Fiasco », il est fait mention d'étoiles aux champs magnétiques extrêmes qui affectent les propriétés du vide. L'idée que le vide puisse se comporter comme un cristal fait écho au concept de biréfringence du vide.