Чи всі фотони, навіть ті, що мають гігантську енергію, перетинають Всесвіт з однаковою швидкістю? Щоб перевірити, чи потенційні ефекти квантової гравітації спричиняють відмінності, польсько-китайська команда вчених запустила два вражаючих космічних явища: гравітаційні лінзи та гамма-спалахи.
Про дослідження, опубліковане в The Astrophysical Journal, повідомили представники Національного центру ядерних досліджень.
Світло поширюється з постійною швидкістю, однаковою в усіх системах відліку. Цей факт, вперше помічений у 1887 році Альбертом Майкельсоном та Едвіном Морлі, лежить не лише в основі сучасної фізики, але навіть інженерії, оскільки він настільки фундаментальний, що став основою сучасного визначення метра. Постійність швидкості світла означає, що кожен фотон проходить однакову відстань за однаковий проміжок часу, і між ними не може бути змагань. Якщо не…
«…якщо ефекти, пов’язані з квантовою гравітацією, не вступають в дію», – каже проф. Марек Бєсяда з Національного центру ядерних досліджень (NCBJ) у Свірку.
Квантова гравітація — це теорія, яка поєднує опис явищ, пов’язаних із гравітацією, з описом світу квантів. Наразі неясно, як знайти спільну фізичну «мову», яка б добре описувала обидва явища, що відбуваються у дуже великому та дуже малому масштабі.
«Деякі пропозиції щодо квантування гравітації передбачають, що фотони з енергіями, значно вищими за ті, що зазвичай реєструються, можуть рухатися з дещо іншими швидкостями, ніж їх аналоги з низькою енергією. Цей ефект, поки що чисто гіпотетичний, називається порушенням інваріантності Лоренца. Якби це можна було спостерігати, ми могли б значно звузити набір теорій-кандидатів, які прагнуть описати квантову гравітацію», – описує проф. Свято.
Однак енергія фотонів, при якій ефекти квантової гравітації можуть стати чітко помітними, величезна — у мільйони мільярдів разів перевищує енергію протонів у Великому адронному колайдері (яка становить кілька тераелектронвольт). Між тим, найбільш енергійний із зареєстрованих досі фотонів, який спостерігався дуже рідко, мав енергію лише в кілька десятків разів перевищував енергію протонів з LHC.
Тому астрофізики, які намагаються спостерігати квантові перегони фотонів, використовують хитрість: вони намагаються спостерігати фотони, що надходять від об’єктів якомога далі. Очікується, що ефекти, викликані різницею швидкостей фотонів різної енергії, повинні накопичуватися на шляху джерело-детектор: чим далі об’єкт, тим сильніше ефект, пов’язаний з порушенням симетрії Лоренца. Якщо такий об’єкт одночасно випромінює фотони різної енергії, навіть невеликі відмінності в швидкості можуть викликати помітні затримки. В результаті такі ж зміни в зображенні об’єкта повинні з’явитися в потоці фотонів з однією енергією в трохи інший час, ніж у потоці фотонів з іншою енергією.
Спостережуваними на даний момент джерелами найбільш енергійних фотонів є гамма-спалахи, особливо короткі, тобто тривалістю не більше двох секунд. Ці спалахи спричинені злиттям двох нейтронних зірок і, можливо, також злиттям нейтронної зірки та чорної діри. Під час події більша частина енергії випромінюється у вузькому кутовому конусі у вигляді гамма-променів високої енергії. Якщо конус спрямований приблизно до Землі, спалах можна буде виявити, навіть якщо його джерело було за мільярди світлових років від нас.
«У разі короткочасного гамма-спалаху на перший погляд все виглядає чудово: ми маємо джерело фотонів з різною енергією, велике за можливостями сучасної лабораторії та розташоване на значній відстані. Проблема в тому, що ми не до кінця розуміємо механізм, за допомогою якого виникають такі спалахи. Тож у нас немає гарантії, що під час цього фотони з низькою та високою енергією випромінювалися одночасно», – зазначає д-р Александра Піорковська-Курпас (Університет Сілезії).
У 2009 році проф. Фіст разом із доктором Піорковською-Курпас, тодішньою його аспіранткою, запропонував спосіб усунення невизначеності, пов’язаної з часом випромінювання фотонів різної енергії під час гамма-спалахів. Суть ідеї полягала в тому, щоб знайти спалахи, які проходили б через гравітаційну лінзу на шляху до Землі.
Гравітаційні лінзи – це масивні об’єкти (чорні діри, галактики), здатні помітно згинати простір-час навколо себе. Якщо об’єкт знаходиться за гравітаційною лінзою, його світло, спочатку випромінюване в дещо інших напрямках, може бути сфокусовано поблизу земного спостерігача. Тоді він помітить не одне, а кілька зображень одного предмета.
«Річ у тім, що кожне зображення спалаху гамма-випромінювання в лінзі надходило б до нас дещо іншим шляхом. Отже, якщо ми виявимо зміну на одному зображенні, ми зможемо виміряти затримку, з якою ця зміна з’явиться на інших зображеннях. Ключове спостереження тут полягає в тому, що якби фотони з різною енергією рухалися з різною швидкістю, то через різницю в довжині оптичного шляху затримка змінювалася б залежно від енергії фотонів», – говорить проф. Свято.
В останній статті, підготовленій у співпраці з вченими з Пекінського та Уханьського університетів і опублікованій в The Astrophysical Journal, астрофізики розглянули два випадки гамма-спалахів: GRB 950830 і GRB 200716C. Обидва спалахи в серпні 1995 року та липні 2020 року, відповідно, були нещодавно класифіковані іншою групою вчених як перші випадки лінзованих гамма-спалахів, причому маса лінзованих об’єктів оцінюється в кілька тисяч сонячних мас (еквівалентно проміжній масі чорного отвори).
Проаналізувавши дані спостережень спалахів, польсько-китайська команда дійшла висновку, що фотони зберігають лоренц-інваріантність принаймні до мільйонів тераелектронвольт. Отже, якщо ефекти квантової гравітації впливають на швидкість, з якою фотони поширюються в просторі, вони повинні робити це при енергіях вище цього значення.
Знайдена межа трохи слабше значень, отриманих іншими методами, але в той же час більш надійна за рахунок усунення невизначеності, пов’язаної з часом випромінювання джерелом фотонів різної енергії.
«Через кілька років з моменту презентації методу ми нарешті змогли показати його роботу на практиці. Результат не остаточний, але слід пам’ятати, що ми робимо лише перші кроки, і основним обмеженням є обмеженість даних. З надходженням все більш точних спостережень якість наших прогнозів буде тільки зростати», – підсумовує проф. Свято.
PAP – Наука в Польщі
lt/ekr/
