Un cataclisme còsmic permet posar a prova l'estructura quàntica de l'espaitemps
La teoria de la relativitat dʼEinstein planteja que la velocitat de la llum en el buit és una constant independent de lʼenergia dels fotons (partícules de llum). En un estudi publicat a la revista Physical Review Letters, un equip internacional dʼinvestigadors, entre els quals hi ha investigadors de lʼInstitut de Ciències del Cosmos de la UB (ICCUB), ha intentat provar aquest postulat utilitzant les observacions dʼun esclat de raigs gamma (gamma-ray burst o GRB) detectat el gener de 2019 pels dos telescopis MAGIC de la Palma.
La teoria de la relativitat dʼEinstein planteja que la velocitat de la llum en el buit és una constant independent de lʼenergia dels fotons (partícules de llum). En un estudi publicat a la revista Physical Review Letters, un equip internacional dʼinvestigadors, entre els quals hi ha investigadors de lʼInstitut de Ciències del Cosmos de la UB (ICCUB), ha intentat provar aquest postulat utilitzant les observacions dʼun esclat de raigs gamma (gamma-ray burst o GRB) detectat el gener de 2019 pels dos telescopis MAGIC de la Palma.
La teoria dʼEinstein descriu la gravetat com a resultat de la interacció de la massa amb el temps espacial i les seves prediccions sʼhan verificat en nombrosos experiments. Tot i això, els físics sospiten que hi ha una teoria més fonamental, de caràcter quàntic, encara desconeguda. Algunes de les teories quàntiques de gravetat que sʼhan proposat inclouen la possibilitat que la velocitat a la qual els fotons viatgin en el buit depengui de la seva energia. Aquest fenomen hipotètic sʼanomena violació de la invariància de Lorentz (LIV). Es creu que, si existís, aquesta diferència de velocitat seria massa petita per ser mesurada, llevat que el seu efecte sʼacumulés durant llargs períodes de temps o, de manera equivalent, al llarg de grans distàncies, com és el cas de lʼemissió que es produeix en els GRB i es detecta des de la Terra.
Els fotons produïts per GRB viatgen durant milers de milions dʼanys abans dʼarribar a la Terra i això podria fer que lʼefecte de les diferències hipotètiques en la seva velocitat fos mesurable. A més, les teories de gravetat quàntica prediuen que aquesta diferència seria més gran com més gran sigui lʼenergia dels fotons. Per això, sʼespera que els telescopis de raigs gamma de molt alta energia, com ara els MAGIC, siguin especialment competitius en la cerca dels efectes de LIV.
Els GRB es produeixen en moments i llocs del cel de manera imprevisible i per això hi ha detectors de GRB disponibles a bord de satèl·lits en òrbita al voltant de la Terra. El 14 de gener de 2019, després de rebre una alerta del detector GRB del satèl·lit Swift, MAGIC va culminar una cerca de més de quinze anys, amb la primera detecció dʼun GRB a la banda de raigs gamma dʼalta energia, de lʼordre dels teraelectró-volts (TeV). Lʼanomenat GRB190114C es podria detectar perquè MAGIC començava la seva observació només 50 segons després que es produís. «Un dels aspectes més positius que ha mostrat lʼestudi detallat de GRB190114 és que es tracta dʼun fenomen més o menys ordinari», explica Marc Ribó, investigador de lʼICCUB i coordinador adjunt de física de la col·laboració MAGIC. «Això és una bona notícia —continua lʼinvestigador—, perquè significa que probablement en detectarem més de similars. La nostra detecció obre una nova etapa en la recerca dʼefectes de LIV en observacions de fonts còsmiques de raigs gamma.»
Els científics volien utilitzar aquesta observació, única fins ara, per buscar efectes de la gravetat quàntica. Els investigadors van utilitzar models teòrics per descriure lʼevolució temporal de lʼemissió a la banda TeV en lʼinterval entre lʼinici del GRB i les observacions amb MAGIC. Els límits a la gravetat quàntica que sʼhan obtingut en aquest treball són compatibles amb els que ja hi havia i són els primers que sʼobtenen a partir de lʼobservació de lʼemissió de major energia que es produeix en un GRB. Amb aquest estudi pioner, lʼequip de MAGIC ha establert un punt de partida per a futures investigacions en la cerca dʼefectes mesurables de la naturalesa quàntica de lʼespaitemps.
Referència a l'article
Col·laboració MAGIC. «Bounds on Lorentz invariance violation from MAGIC observation of GRB 190114C». Physical Review Letters, 9 de juliol de 2020. Doi: 10.1103/PhysRevLett.125.021301