Ακτίνες γάμα και Κβαντική Βαρύτητα

Μια ανάλυση της ταχύτητας των ακτίνων γάμα με τις υψηλότερες ενέργειες που παρατηρήθηκαν μέχρι σήμερα, θέτει νέους περιορισμούς σε ορισμένες θεωρίες κβαντικής βαρύτητας.

Daniel Lopez/Instituto de Astrofísica de Canarias

Η διατύπωση μιας θεωρίας κβαντικής βαρύτητας – το ιερό δισκοπότηρο της θεωρητικής φυσικής – απαιτεί την θυσία κάποιων βασικών αρχών της φυσικής, όπως αυτό της αναλλοιότητας της ταχύτητας του φωτός. Η κβαντική θεωρία και η θεωρία της σχετικότητας θα μπορούσαν να ενοποιηθούν κοντά στην ενέργεια Planck (περίπου E_p=22×10¹⁹GeV). Όμως κάποιες θεωρίες δείχνουν ότι θα μπορούσαν να παρατηρηθούν φωτόνια με ταχύτητες διαφορετικές αυτής του φωτός, σε πολύ χαμηλότερες ενέργειες της E_p. Τέτοια φωτόνια περιέχονται στις πολύ υψηλής ενέργειας ακτίνες γάμα (VHEGRs=Very-High-Energy Gamma Rays) που φθάνουν στην Γη, από τις μυστηριώδεις εκρήξεις ακτίνων γάμα (Gamma-ray Bursts ή GRBs).
Aναλύοντας τους χρόνους άφιξης των φωτονίων με τις υψηλότερες ενέργειες που μετρήθηκαν ποτέ, από μια έκρηξη ακτίνων γάμα (GRB 190114C), η ομάδα των αστρονόμων του τηλεσκοπίου MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes), έδειξε ότι αν η ταχύτητα αυτών των φωτονίων διαφέρει από την ταχύτητα του φωτός c, τότε η διαφορά θα είναι μικρότερη από 1,7∙10⁻¹⁵c.
Για να αποδειχθεί ότι υπάρχουν φωτόνια που κινούνται με μεγαλύτερη ή μικρότερη ταχύτητα από την γνωστή ταχύτητα του φωτός πρέπει να μελετηθούν σήματα που έχουν διασχίσει τεράστια απόσταση στο Σύμπαν. Η κολοσσιαία απόσταση είναι απαραίτητη για να καταστεί ανιχνεύσιμη μια πιθανή (μικρή) ασυμφωνία στις ταχύτητες των φωτονίων διαφορετικών ενεργειών. Σε απόσταση 4,5 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη, η έκλαμψη ακτίνων γάμα GRB 190114C ήταν πιο κοντινή σε σχέση με άλλες εκλάμψεις ακτίνων γάμα, που έχουν χρησιμοποιηθεί για να τεθούν όρια στις κβαντικές θεωρίες βαρύτητας. Αλλά τα φωτόνια της εν λόγω έκρηξης ακτίνων γάμα είχαν τις μεγαλύτερες ενέργειες, 2 TeV, σε σε σχέση με τα φωτόνια ενέργειας 100 GeV, που είχαν καταγραφεί από προηγούμενα συμβάντα. Αυτή η υψηλή ενέργεια επέτρεψε τον έλεγχο μιας συγκεκριμένης θεωρίας που παραβιάζει το αναλλοίωτο της ταχύτητας φωτός.
Διαπιστώθηκε ότι η ταχύτητα των φωτονίων από την πηγή GRB 190114C ουσιαστικά δεν διαφέρει από την ταχύτητα του φωτός, υποδεικνύοντας ότι σύμφωνα με την θεωρία παραβίασης του αναλλοίωτου, η ενοποίηση πρέπει να πραγματοποιηθεί σε ενέργειες μεγαλύτερες από 5,6×10¹⁰ GeV. Οι μελλοντικές παρατηρήσεις πιο απομακρυσμένων GRB αναμένεται να βελτιώσουν κι άλλο τους περιορισμούς.
πηγές:
1. Gamma Rays Provide New Quantum Gravity Constraint
2. Bounds on Lorentz invariance violation from MAGIC observation of GRB 190114C πηγη