Un cataclisme còsmic permet posar a prova l'estructura quàntica de l'espai-temps

14/08/2020

La teoria de la Relativitat d'Einstein postula que la velocitat de la llum en el buit és una constant independent de l'energia dels fotons (partícules de llum). En un estudi publicat a la revista Physical Review Letters, un equip internacional d'investigadors ha tractat de posar a prova aquest postulat utilitzant observacions d'un esclat de raigs gamma (gamma-ray burst, o GRB) detectat el gener de 2019 pels dos telescopis MAGIC de la Palma.

L'intent està ben fonamentat: la teoria d'Einstein descriu la gravetat com a resultat de la interacció de la massa amb l'espai-temps i les seves prediccions han estat verificades en nombrosos experiments. Malgrat això, els físics sospiten que hi ha una teoria més fonamental, de naturalesa quàntica, encara desconeguda. Algunes de les teories quàntiques de la gravetat que han estat proposades inclouen la possibilitat que la velocitat a la qual viatgen els fotons en el buit depengui de la seva energia. Aquest fenomen hipotètic rep el nom de violació de la invariància de Lorentz (LIV, per les sigles en anglès). Es creu que, en cas d'existir, aquesta diferència de velocitat seria massa petita per ser mesurada, llevat que el seu efecte s'acumuli durant llargs períodes de temps o, equivalentment, de grans distàncies, com passa amb l'emissió que es produeix en els GRBs i es detecta a la Terra.

Esclats de raigs gamma, les explosions més violentes de l'Univers

Els GRBs són breus fogonades de fotons de molt alta energia (o raigs gamma) emesos per llunyanes explosions còsmiques. Els fotons produïts pels GRBs viatgen durant milers de milions d'anys abans d'arribar a la Terra, el que podria fer mesurable l'efecte de les hipotètiques diferències en la seva velocitat. A més, les teories de gravetat quàntica prediuen que aquesta diferència seria més gran com més gran sigui l'energia dels fotons. Per això s'espera que els telescopis de raigs gamma de molt alta energia, com ara els MAGIC, siguin especialment competitius en la recerca d'efectes de LIV.

Els GRBs ocorren en moments i llocs del cel imprevisibles. Hi ha detectors de GRBs a bord de satèl·lits en òrbita al voltant de la Terra, que tenen un camp de visió molt ampli, cosa que els permet detectar i localitzar GRBs de forma gairebé instantània quan es produeixen, i enviar alertes a telescopis de tot el món, entre ells els MAGIC, perquè participin en la seva observació i estudi. El 14 de gener de 2019, després de rebre un avís del detector de GRBs del satèl·lit Swift, MAGIC va culminar una recerca que ha durat més de quinze anys, amb la primera detecció d'un GRB a la banda de raigs gamma de molt alta energia (o banda TeV). L'anomenat GRB190114C va poder ser detectat gràcies al fet que MAGIC va començar la seva observació tan sols 50 segons després que es produís. Marc Ribó, Professor Agregat de la Universitat de Barcelona i Coordinador Adjunt de Física de la Col·laboració MAGIC, ens diu: "Uns dels aspectes més positius que ha revelat l'estudi detallat del GRB190114 és que es tracta d'un GRB més o menys corrent. Això són bones notícies perquè vol dir que probablement en detectarem més. La nostra detecció inaugura una nova fase en la recerca d'efectes de LIV en observacions de fonts còsmiques de raigs gamma".

Els científics van voler utilitzar aquesta observació única fins a la data per buscar efectes de gravetat quàntica. Al principi van topar amb un obstacle: el senyal de raigs gamma registrat per MAGIC simplement decreixia monòtonament amb el temps. Encara que aquesta és una dada interessant per entendre com es produeixen els GRBs, no ho és tant per buscar efectes de LIV.

Com explica Daniel Kerszberg, científic postdoctoral de l'IFAE a Barcelona i un dels autors principals de l'estudi: "Per saber si els raigs gamma viatgen a diferents velocitats hauríem de ser capaços de comparar els temps d'arribada de raigs gamma que van ser emesos pel GRB en el mateix moment. Com que no és possible saber el moment precís de l'emissió de fotons individuals, normalment utilitzem variacions temporals sobtades del senyal per reconèixer fotons que van ser probablement emesos al mateix temps". Però un senyal monòtonament decreixent manca d'aquestes variacions. Així que els investigadors van utilitzar models teòrics per descriure l'evolució temporal de l'emissió a la banda TeV en l'interval entre el començament de l'GRB i les observacions amb MAGIC. Kerszberg afegeix: "Per a buscar senyals de LIV a les nostres dades fem servir dues formes diferents de modelitzar la seva evolució temporal. Volíem estar segurs de no cometre errors en extreure conclusions d'aquest senyal excepcional, la primera d'un GRB a la banda de TeV".

Posant a prova la naturalesa quàntica de l'espai-temps

Aquesta acurada anàlisi de les dades no va trobar cap diferència significativa en la velocitat dels raigs gamma de diferent energia. Això no vol dir que l'esforç fos inútil, ja que els científics de MAGIC van aconseguir posar límits a les possibles teories de gravetat quàntica. Javier Rico, investigador de l'IFAE a Barcelona, ​​i coordinador d'Anàlisi i Publicacions de la Col·laboració MAGIC, comenta: "El GRB190114C va ocórrer quan la Terra estava encara formant-se, fa 4500 milions d'anys. Des de llavors, els raigs gamma que va emetre han estat viatjant per l'Univers fins que, fa poc més d'un any, vam detectar centenars d'ells amb els telescopis MAGIC. Analitzant-los vam poder determinar que el temps que van emprar els diferents fotons en el viatge va diferir com a màxim en aproximadament un minut".

Els límits a la gravetat quàntica que s'han obtingut en aquest treball són compatibles amb els ja existents fins a la data, i són els primers que s'obtenen mitjançant l'observació de l'emissió de més energia que es produeix en un GRB. Amb aquest estudi pioner, l'equip MAGIC ha establert un punt de partida per a futures investigacions en la recerca d'efectes mesurables de la naturalesa quàntica de l'espai-temps. Oscar Blanch, investigador de l'IFAE i portaveu de la Col·laboració MAGIC, ens diu: "Confiem que futures deteccions de GRBs a la banda TeV inclouran l'emissió inicial, anterior al decreixement monòton, que s'espera que sigui rica en estructura temporal, el que augmentarà la nostra sensibilitat a l'efecte LIV de manera significativa".

Els telescopis MAGIC

MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) és un sistema de dos telescopis de 17 metres de diàmetre ubicats a 2200 metres sobre el nivell de la mar a l'Observatori El Roque de los Muchachos (ORM), a l'illa canària de La Palma, Espanya. Els telescopis estan dissenyats per detectar raigs gamma de molt alta energia en el rang d'energia de 30 GeV a més de 50 TeV, utilitzant la tècnica d'imatges Cherenkov atmosfèriques. Els telescopis MAGIC estan a càrrec d'una col·laboració internacional d’aproximadament 280 persones de 12 països, inclosos científics, enginyers, tècnics i altre personal.

La comunitat científica espanyola participa en MAGIC des dels seus inicis. Actualment són membres de MAGIC el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), l'Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), l'Institut de Física d'Altes Energies (IFAE), el Departament de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) i la Universidad Complutense de Madrid (UCM). L'Institut d'Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) participa en aquest projecte a través d'investigadors de les unitats ICCUB i el Centre d’Estudis i Recerca Espacials (CERES-UAB). A més, el centre de dades de MAGIC és el Port d'Informació Científica (PIC), una col·laboració de l'IFAE i el CIEMAT.

Article de referència:

MAGIC Collaboration, Bounds on Lorentz invariance violation from MAGIC observation of GRB 190114C. Phys. Rev. Lett. 125 (2020) DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.021301