La detecció d'un esclat de raigs Gamma pels telescopis MAGIC permet estudiar si la velocitat de la llum en el buit és una constant de la natura.
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 l'estudi publicat avui 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 (també anomenats gamma-ray burst, o GRB) detectat el gener de 2019 pels dos telescopis MAGIC de la Palma. Els resultats mostren que fotons de diferents energies emesos fa uns 4500 milions d'anys arriben a la Terra amb una diferència de temps inferior a un minut, posant així un límit a la hipòtesi que la velocitat dels fotons depèn de la seva energia.
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, com la 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 explosions còsmiques llunyanes. 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 violació de la invariància de Lorentz.
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, amb un camp de visió molt ampli que els permet detectar i localitzar GRBs de forma gairebé instantània quan es produeixen. Un cop detecten un GRB, envien l’alerta a telescopis terrestres arreu del món, com els MAGIC, per a què participin en la seva observació i estudi. Fa quinze anys, el telescopi de sistema d’alertes BAT a bord del satèl·lit Swift avisava de la ocurrència d’un GRB a la banda de raigs gamma de molt alta energia (TeV). El 14 de gener de 2019, els telescopis MAGIC el detectaven per primera vegada. 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, ja que el sistema d’alertes localitza amb precisió i calcula les coordenades a l’espai dels esdeveniments que detecta.
L’astrofísic Marc Ribó, investigador de l’ICCUB i professor titular de la Universitat de Barcelona, ens comenta, "Uns dels aspectes més positius que ha revelat l'estudi detallat de l'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 per buscar efectes de gravetat quàntica. Al principi van topar amb un obstacle; el senyal de raigs gamma registrat per MAGIC 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. Daniel Kerszberg, investigador postdoctoral de l'IFAE i un dels autors principals de l'estudi, explica "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”.
Posant a prova la naturalesa quàntica de l'espai-temps
L’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. Així ho explica Javier Rico, investigador de l'IFAE a Barcelona, "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 hem pogut 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 que ja existien, i són els primers que s'obtenen mitjançant la observació d’un GRB de molt alta energia. Amb aquest estudi, 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 dels Nois (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 espanyola participa a MAGIC des dels seus inicis. Actualment són membres de MAGIC l’Institut de Ciències del Cosmos (ICCUB), l'Institut de Física d'Altes Energies (IFAE), la Universitat de Barcelona i la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), la Universidad Complutense de Madrid (UCM) i el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). L'IEEC participa en aquest projecte a través d'investigadors de les unitats ICCUB i 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.
Què són els esclats de raigs gamma?
Són explosions còsmiques, amb radiació de fins a mil milions de vegades l'energia de la llum visible. Aquesta il·lustració mostra la configuració per al tipus més comú d'explosió de raigs gamma. El nucli d'una estrella massiva (esquerra) s'ha ensorrat i s’ha format un forat negre. Aquest "motor" impulsa un raig de partícules que es mou a través de l'estrella que s'esfondra i surt a l'espai a gairebé la velocitat de la llum. L'emissió ràpida, que generalment dura un minut o menys, pot sorgir de la interacció del raig amb gas prop de el forat negre acabat de néixer, i de col·lisions entre capes de gas de ràpid moviment dins del raig (ones de xoc internes). L'emissió de resplendor posterior es produeix quan la vora d'atac del raig escombra els seus voltants (creant una ona de xoc externa) i emet radiació a través del espectre durant algun temps, que poden ser mesos o anys en el cas de la radiació ràdio i la llum visible, i moltes hores en el cas dels raigs gamma de molt alta energia. Aquests últims superen amb escreix als 100 mil milions d'electronvolts (GeV) per a dues GRB recents.
Enllaç a l'article
"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 l'investigador
El Marc Ribó és astrònom, professor de la Facultat de Física i investigador del grup de recerca en Física d’Altes Energies, on investiga sobre les fonts astrofísiques d’altes energies, principalment les d’origen galàctic. En concret, ha estudiat els sistemes binaris de raigs X i els raigs gamma, que contenen forats negres i estrelles de neutrons. Ha dirigit tres tesis doctoral i publicat més de 350 articles científics. Ribó també és membre del equip directiu de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) i director de l’Observatori Astronòmic del Montsec.
