La detección de un estallido de rayos gamma por los telescopios MAGIC permite estudiar si la velocidad de la luz en el vacío es una constante de la naturaleza.
La teoría de la Relatividad de Einstein postula que la velocidad de la luz en el vacío es una constante independiente de la energía de los fotones (partículas de luz). En un estudio publicado en la revista Physical Review Letters, un equipo internacional de investigadores ha tratado de poner a prueba este postulado utilizando observaciones de un estallido de rayos gamma (también llamados gamma-ray burst, o GRB) detectado en enero de 2019 por los dos telescopios MAGIC de la Palma. Los resultados muestran que fotones de diferentes energías, emitidos hace unos 4500 millones de años, llegan a la Tierra con una diferencia de tiempo inferior a un minuto, estableciendo un límite a la hipótesis de que la velocidad de los fotones depende de su energía.
El intento está bien fundamentado; la teoría de Einstein describe la gravedad como resultado de la interacción de la masa con el espacio-tiempo, y sus predicciones han sido verificadas en numerosos experimentos. Sin embargo, los físicos sospechan que hay una teoría más fundamental, de naturaleza cuántica, aún desconocida. Algunas de las teorías cuánticas de la gravedad que han sido propuestas incluyen la posibilidad de que la velocidad a la que viajan los fotones en el vacío dependa de su energía. Este fenómeno hipotético recibe el nombre de violación de la invariancia de Lorentz (LIV, por sus siglas en inglés). Se cree que, en caso de existir, esta diferencia de velocidad sería demasiado pequeña para ser medida, a menos que su efecto se acumule durante largos períodos de tiempo o equivalentmente en grandes distancias, como ocurre con la emisión que se produce en los GRBs y se detecta en la Tierra.
Estallidos de rayos gama, las explosiones más violentas del Universo
Los GRBs son breves fogonazos de fotones de muy alta energía (o rayos gamma) emitidos por explosiones cósmicas lejanas. Los fotones producidos por los GRBs viajan durante miles de millones de años antes de llegar a la Tierra, lo que podría provocar el efecto de las hipotéticas diferencias en su velocidad. Además, las teorías de la gravedad cuántica predicen que esta diferencia sería mayor cuanto mayor sea la energía de los fotones. Por lo tanto, se espera que los telescopios de rayos gamma de muy alta energía, como MAGIC, sean especialmente competitivos en la búsqueda de los efectos de la violación de la invariancia de Lorentz.
Los GRBs ocurren en momentos y lugares del cielo imprevisibles. Hay detectores de GRBs a bordo de satélites en órbita alrededor de la Tierra, con un campo de visión muy amplio que les permite detectar y localizar GRBs de forma casi instantánea cuando se producen. Una vez detectan un GRB, envían la alerta en telescopios terrestres en todo el mundo, como los MAGIC, para que participen en su observación y estudio. Hace quince años, el telescopio de alertas a bordo del satélite Swift avisaba de la ocurrencia de un GRB en la banda de rayos gamma de muy alta energía (o banda TeV). El 14 de enero de 2019, los telescopios MAGIC lo detectaban por primera vez. El llamado GRB190114C pudo ser detectado gracias a que MAGIC comenzó su observación tan sólo 50 segundos después de que se produjera, ya que el sistema de alertas localiza con precisión y calcula las coordenadas del evento en el cielo.
El astrofísico Marc Ribó, investigador del ICCUB y profesor titular de la Universidad de Barcelona, nos comenta, "Unos de los aspectos más positivos que ha revelado el estudio detallado del GRB190114 es que se trata de un GRB más o menos corriente. Esto son buenas noticias, porque quiere decir que probablemente en detectaremos más. Nuestra detección inaugura una nueva fase en la búsqueda de efectos de LIV en observaciones de fuentes cósmicas de rayos gamma ".
Los científicos quisieron utilizar esta observación para buscar efectos de gravedad cuántica. Al principio se encontraron con un obstáculo; la señal de rayos gamma registrado por MAGIC decrecía monótonamente con el tiempo. Aunque este es un dato interesante para entender cómo se producen los GRBs, no lo es tanto para buscar efectos de violación de la invariancia de Lorentz. Daniel Kerszberg, investigador postdoctoral del IFAE y uno de los autores principales del estudio, explica "Para saber si los rayos gamma viajan a diferentes velocidades, deberíamos ser capaces de comparar los tiempos de llegada de rayos gamma emitidos por el GRB en el mismo momento. Como no es posible saber el momento preciso de la emisión de fotones individuales, normalmente utilizamos las variaciones temporales repentinas de la señal para reconocer fotones que fueron probablemente emitidos al mismo tiempo ". Pero una señal monótonamente decreciente carece de estas variaciones. Así que los investigadores utilizaron modelos teóricos para describir la evolución temporal de la emisión en la banda TeV, en el intervalo entre el comienzo del GRB y las observaciones con MAGIC. Kerszberg añade: "Para buscar las señales de LIV en nuestros datos utilizamos dos formas diferentes de modelizar su evolución temporal. Queríamos estar seguros de no cometer errores en extraer conclusiones de esta señal excepcional".
Poniendo a prueba la naturaleza cuántica espacio-temporal
El análisis de los datos no encontró ninguna diferencia significativa en la velocidad de los rayos gamma de diferente energía. Esto no quiere decir que el esfuerzo fuera inútil, ya que los científicos de MAGIC lograron poner límites a las posibles teorías de gravedad cuántica. Así lo explica Javier Rico, investigador del IFAE en Barcelona, "El GRB190114C ocurrió cuando la Tierra estaba todavía formándose, hace 4500 millones de años. Desde entonces, los rayos gamma emitidos en ese momento han estado viajando por el Universo hasta que, hace poco más de un año, detectamos cientos de ellos con los telescopios MAGIC. Analizándolos hemos podido determinar que el tiempo que emplearon los diferentes fotones en el viaje difirió como máximo en aproximadamente un minuto ".
Los límites a la gravedad cuántica que se han obtenido en este trabajo son compatibles con los que ya existían, y son los primeros que se obtienen mediante la observación de un GRB de muy alta energía. Con este estudio, el equipo MAGIC ha establecido un punto de partida para futuras investigaciones en la búsqueda de efectos medibles de la naturaleza cuántica del espacio-tiempo. Oscar Blanch, investigador del IFAE y portavoz de la Colaboración MAGIC, nos dice: "Confiamos en que futuras detecciones de GRBs en la banda TeV incluirán la emisión inicial - anterior al decrecimiento monótono - que se espera que sea rica en estructura temporal, lo que aumentará nuestra capacidad de encontrar los efectos LIV de manera significativa ".
Los telescopios MAGIC
MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) es un sistema de dos telescopios de 17 metros de diámetro ubicados a 2200 metros sobre el nivel del mar en el Observatorio El Roque de los Muchachos (ORM), en la isla canaria de La Palma, España. Los telescopios están diseñados para detectar rayos gamma de muy alta energía en el rango de energía de 30 GeV a más de 50 TeV, utilizando la técnica de imágenes Cherenkov atmosféricas. Los telescopios MAGIC están a cargo de una colaboración internacional de aproximadamente 280 personas de 12 países, incluidos científicos, ingenieros, técnicos y demás personal.
La comunidad española participa en MAGIC desde sus inicios. Actualmente son miembros de MAGIC el Institut de Ciències del Cosmos (ICCUB), el Institut de Física d'Altes Energies (IFAE), la Universidad de Barcelona y la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), la Universidad Complutense de Madrid (UCM) y el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). El Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) participa en el proyecto a través de los investigadores de las unidades ICCUB i CERES-UAB. Además, el centro de datos de MAGIC es el Puerto de Información Científica (PIC), una colaboración entre IFAE y CIEMAT.
¿Qué son los estallidos de rayos gamma?
Son explosiones cósmicas, con radiación de hasta mil millones de veces la energía de la luz visible. Esta ilustración muestra la configuración para el tipo más común de explosión de rayos gamma. El núcleo de una estrella masiva (izquierda) se ha derrumbado y se ha formado un agujero negro. Este "motor" impulsa un chorro de partículas que se mueve a través de la estrella que se derrumba y sale al espacio a casi la velocidad de la luz. La emisión rápida, que generalmente dura un minuto o menos, puede surgir de la interacción del chorro con gas cerca del agujero negro recién nacido y de colisiones entre capas de gas de rápido movimiento dentro del chorro (ondas de choque internas). La emisión de resplandor posterior se produce cuando el borde de ataque del chorro barre sus alrededores (creando una onda de choque externa) y emite radiación a través del espectro durante algún tiempo, que pueden ser meses o años en el caso de las ondas de radio y luz visible, o algunas horas en el caso de los rayos gama de muy alta energía. Estos últimos superan con creces los 100 mil millones de electronvoltios (GeV) para dos GRB recientes.
Enlace al artículo
"Bounds on Lorentz invariance violation from MAGIC observation of GRB 190114C". MAGIC Collaboration. Phys. Rev. Lett. 125 (2020). doi: 10.1103/PhysRevLett.125.021301
Sobre el autor
Marc Ribó es astrónomo, profesor de la Facultad de Física e investigador del grupo de investigación en Física de Altas Energías, donde investiga sobre las fuentes astrofísicas de altas energías, principalmente las de origen galáctico. En concreto, ha estudiado los sistemas binaris de rayos X y los rayos gamma, que contienen agujeros negros y estrellas de neutrones. Ha dirigido tres tesis doctoral y publicado más de 350 artículos científicos. Ribó también es miembro del equipo directivo del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC) y director del Observatorio Astronómico del Montsec.
