Kosmisk katastrofe tillader præcis test af generel relativitet

I 2019, MAGIC-teleskoperne opdagede det første gammastråleudbrud ved meget høje energier. Dette var den mest intense gammastråling, der nogensinde er opnået fra et sådant kosmisk objekt. Men GRB-dataene har mere at byde på:med yderligere analyser, MAGIC-forskerne kunne nu bekræfte, at lysets hastighed er konstant i vakuum - og ikke afhængig af energi. Så, ligesom mange andre tests, GRB-data bekræfter også Einsteins teori om generel relativitet. Undersøgelsen er nu offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Einsteins generelle relativitetsteori (GR) er en smuk teori, der forklarer, hvordan masse og energi interagerer med rum-tid, skabe et fænomen almindeligvis kendt som tyngdekraften. GR er blevet testet og gentestet i forskellige fysiske situationer og over mange forskellige skalaer, og, postulerer, at lysets hastighed er konstant, det viste sig altid at forudsige de eksperimentelle resultater fremragende. Alligevel, fysikere formoder, at GR ikke er den mest fundamentale teori, og at der kan eksistere en underliggende kvantemekanisk beskrivelse af tyngdekraften, omtales som kvantetyngdekraften (QG).

Nogle QG-teorier mener, at lysets hastighed kan være energiafhængig. Dette hypotetiske fænomen kaldes Lorentz invariance violation (LIV). Dets virkninger menes at være for lille til at kunne måles, medmindre de er akkumuleret over meget lang tid. Så hvordan opnår man det? En løsning er at bruge signaler fra astronomiske kilder til gammastråler. Gammastråleudbrud (GRB'er) er kraftfulde og fjerntliggende kosmiske eksplosioner, som udsender meget varierende, ekstremt energiske signaler. De er således fremragende laboratorier til eksperimentelle test af QG. Fotoner med højere energi forventes at blive mere påvirket af QG-effekterne, og dem burde der være rigeligt af; disse rejser milliarder af år, før de når Jorden, hvilket forstærker effekten.

GRB'er detekteres dagligt med satellitbårne detektorer, som observerer store dele af himlen, men ved lavere energier end de jordbaserede teleskoper som MAGIC. Den 14. januar, 2019, MAGIC-teleskopsystemet detekterede den første GRB i domænet af teraelektronvoltenergier (TeV, 1000 milliarder gange mere energisk end det synlige lys), derfor registrerer langt de mest energiske fotoner nogensinde observeret fra et sådant objekt. Flere analyser blev udført for at studere arten af ​​dette objekt og den meget høje energistråling.

Tomislav Terzic, en forsker fra universitetet i Rijeka, siger:"Ingen LIV-undersøgelse blev nogensinde udført på GRB-data i TeV-energiområdet, simpelthen fordi der ikke var sådanne data indtil nu. I over tyve år havde vi forudset, at en sådan observation kunne øge følsomheden over for LIV-effekterne, men vi kunne ikke sige hvor meget, før vi så de endelige resultater af vores analyse. Det var en meget spændende periode."

Naturligt, MAGIC-forskerne ønskede at bruge denne unikke observation til at jage efter effekter af QG. Allerede i begyndelsen, de stod imidlertid over for en hindring:signalet, der blev optaget med MAGIC-teleskoperne, forfaldt monotont med tiden. Selvom dette var et interessant fund for astrofysikere, der studerede GRB'er, det var ikke gunstigt for LIV-testning. Daniel Kerszberg, en forsker ved IFAE i Barcelona sagde:"Når man sammenligner ankomsttiderne for to gammastråler af forskellige energier, man antager, at de blev udsendt øjeblikkeligt fra kilden. Imidlertid, vores viden om processer i astronomiske objekter er stadig ikke præcis nok til at udpege emissionstiden for en given foton."

Traditionelt er astrofysikerne afhængige af genkendelige variationer af signalet for at begrænse emissionstiden for fotoner. Et monotont skiftende signal mangler disse funktioner. Så, forskerne brugte en teoretisk model, som beskriver den forventede emission af gammastråler, før MAGIC-teleskoperne begyndte at observere. Modellen inkluderer en hurtig stigning i fluxen, peak-emissionen og et monotont henfald som det observeret af MAGIC. Dette gav forskerne et håndtag til rent faktisk at jage efter LIV.

En omhyggelig analyse afslørede derefter ingen energiafhængig tidsforsinkelse i ankomsttider for gammastråler. Einstein ser stadig ud til at holde stregen. "Dette betyder dog ikke, at MAGIC-holdet blev efterladt tomhændet, " sagde Giacomo D'Amico, en forsker ved Max Planck Institut for Fysik i München; "vi var i stand til at sætte stærke begrænsninger på QG-energiskalaen." Grænserne sat i denne undersøgelse er sammenlignelige med de bedst tilgængelige grænser opnået ved brug af GRB-observationer med satellitdetektorer eller ved brug af jordbaserede observationer af aktive galaktiske kerner.

Cedric Perennes, postdoc forsker ved universitetet i Padova tilføjede, "Vi var alle meget glade og føler os privilegerede over at være i stand til at udføre den første undersøgelse af Lorentz-invariansovertrædelse nogensinde på GRB-data i TeV-energiområdet, og at slå døren op for fremtidige studier!"

I modsætning til tidligere værker, dette var den første sådan test nogensinde udført på et GRB-signal ved TeV-energier. Med denne skelsættende undersøgelse, MAGIC-teamet satte således fodfæste for fremtidig forskning og endnu strengere test af Einsteins teori i det 21. århundrede. Oscar Blanch, talsmand for MAGIC-samarbejdet, konkluderede:"Denne gang vi observerede en relativt nærliggende GRB. Vi håber snart at fange lysere og fjernere begivenheder, hvilket ville muliggøre endnu mere følsomme tests."