Wyścigi fotonów pod lupą grawitacji

Fotony przemierzają Wszechświat z niezmienną prędkością. Tylko czy zawsze wszystkie z tą samą? Aby sprawdzić, czy potencjalne efekty kwantowej grawitacji nie wpływają na prędkości fotonów o bardzo dużych energiach, polsko-chiński zespół naukowców zaprzągł do pracy dwa spektakularne zjawiska kosmiczne: soczewki grawitacyjne i wybuchy promieniowania gamma.

Światło porusza się ze stałą prędkością, taką samą w każdym układzie odniesienia. Fakt ten, po raz pierwszy zauważony w 1887 roku przez Alberta Michelsona i Edwina Morleya, leży nie tylko u podstaw współczesnej fizyki, ale nawet inżynierii, jest bowiem tak fundamentalny, że stał się podstawą współczesnej definicji metra. Stałość prędkości światła oznacza, że tę samą drogę każdy foton pokona w tym samym czasie i o żadnych wyścigach między nimi nie może być mowy. Chyba że...

„...chyba że w grę wejdą efekty związane z kwantową grawitacją”, mówi prof. dr hab. Marek Biesiada z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku i precyzuje: „Niektóre propozycje kwantowania grawitacji przewidują, że fotony o energiach znacząco większych od zazwyczaj rejestrowanych mogłyby się poruszać z nieco innymi prędkościami niż ich niskoenergetyczni koledzy. Efekt ten, na razie czysto hipotetyczny, nazywamy łamaniem niezmienniczości lorentzowskiej. Gdyby udało się go zaobserwować, moglibyśmy mocno zawęzić zbiór teorii-kandydatów pretendujących do opisu kwantowej grawitacji”.

Energie fotonów, przy których efekty kwantowej grawitacji stałyby się wyraźnie widoczne, są ogromne, miliony miliardów razy większe od energii protonów w akceleratorze LHC (która wynosi kilka teraelektronowoltów). Tymczasem najbardziej energetyczne z dotychczas zarejestrowanych fotonów, bardzo rzadko obserwowane, miały energie zaledwie kilkadziesiąt razy większą od energii wspomnianych protonów z LHC. Astrofizycy próbujący zaobserwować kwantowe wyścigi fotonów stosują więc trik: starają się obserwować fotony pochodzące od jak najdalszych obiektów. Oczekuje się, że efekty wywołane różnicą w prędkościach fotonów o różnych energiach powinny kumulować się na drodze źródło-detektor: im dalszy obiekt, tym silniejszy efekt związany z łamaniem symetrii Lorentza. Jeśli taki obiekt wyemituje jednocześnie fotony o różnych energiach, to nawet niewielkie różnice prędkości mogą spowodować powstanie zauważalnych opóźnień czasowych. W rezultacie te same zmiany w obrazie obiektu powinny pojawić się w strumieniu fotonów o jednej energii w nieco innym czasie niż w strumieniu fotonów o innej energii.

Obecnie obserwowanymi źródłami najbardziej energetycznych fotonów są rozbłyski gamma, zwłaszcza krótkie, czyli trwające nie dłużej niż dwie sekundy. Rozbłyski tego typu powstają podczas łączenia się dwóch gwiazd neutronowych, a przypuszczalnie także przy zlewaniu się gwiazdy neutronowej z czarną dziurą. W trakcie zdarzenia większość energii jest emitowana w wąskim stożku kątowym jako wysokoenergetyczne promieniowanie gamma. Jeśli stożek ten jest zwrócony mniej więcej w kierunku Ziemi, rozbłysk można zarejestrować nawet wtedy, gdy jego źródło było oddalone od nas o miliardy lat świetlnych.

„W przypadku krótkiego rozbłysku gamma wszystko, na pierwszy rzut oka, wygląda świetnie: mamy źródło fotonów o różnych, dużych jak na dzisiejsze możliwości laboratoryjne energiach, do tego znajdujące się w znacznej odległości. Problem w tym, że nie rozumiemy dokładnie mechanizmu powstawania takich rozbłysków. Nie mamy więc gwarancji, że w jego trakcie fotony o małych i dużych energiach zostały wyemitowane jednocześnie”, zauważa dr Aleksandra Piórkowska-Kurpas (Uniwersytet Śląski).

W 2009 roku prof. Biesiada z dr Piórkowską-Kurpas, wówczas jego doktorantką, zaproponowali sposób na wyeliminowanie niepewności związanej z czasami emisji fotonów o różnych energiach w rozbłyskach gamma. Istota pomysłu sprowadzała się do znalezienia takich rozbłysków, które w drodze ku Ziemi przechodziłyby przez soczewkę grawitacyjną.

Soczewki grawitacyjne to masywne obiekty (czarne dziury, galaktyki) zdolne w zauważalnym stopniu zakrzywiać czasoprzestrzeń wokół siebie. Jeśli za soczewką grawitacyjną znajdzie się jakiś obiekt, jego światło, pierwotnie wyemitowane w nieco innych kierunkach, może zostać zogniskowane w pobliżu ziemskiego obserwatora. Zauważy on wtedy nie jeden, lecz kilka obrazów tego samego obiektu.

„Rzecz w tym, że każdy z obrazów soczewkowanego rozbłysku gamma docierałby do nas nieco inną drogą. Gdybyśmy więc wykryli zmianę w jednym obrazie, moglibyśmy zmierzyć opóźnienie, z jakim zmiana ta pojawi się w innych obrazach. Kluczowe jest tu spostrzeżenie, że gdyby fotony o różnych energiach poruszały się z różnymi prędkościami, to z uwagi na różnicę w długościach dróg optycznych opóźnienie zmieniałoby się w zależności od energii fotonów”, mówi prof. Biesiada.

W swoim najnowszym artykule, przygotowanym we współpracy z naukowcami z uniwersytetów w Pekinie i Wuhan i opublikowanym na łamach czasopisma „The Astrophysical Journal”, astrofizycy zajęli się dwoma przypadkami błysków gamma: GRB 950830 i GRB 200716C. Oba rozbłyski, odpowiednio z sierpnia 1995 roku i lipca 2020 roku, zostały ostatnio sklasyfikowane przez inną grupę naukowców jako pierwsze przypadki soczewkowanych rozbłysków gamma, przy czym masę obiektów soczewkujących oceniono na kilka tysięcy mas Słońca (co odpowiada czarnym dziurom o pośrednich masach).

Po analizie danych z obserwacji rozbłysków polsko-chiński zespół doszedł do wniosku, że fotony zachowują niezmienniczość lorentzowską przynajmniej do energii rzędu milionów teraelektronowoltów. Jeśli więc efekty kwantowej grawitacji wpływają na prędkość propagowania się fotonów w przestrzeni, muszą to robić przy energiach powyżej tej wartości.

Znalezione ograniczenie jest nieco słabsze niż wartości otrzymywane innymi metodami, lecz jednocześnie bardziej wiarygodne z uwagi na wyeliminowanie niepewności związanej z czasami emisji fotonów o różnych energiach przez źródło.

„Po kilkunastu latach od momentu zaprezentowania metody mogliśmy wreszcie pokazać jej działanie w praktyce. Wynik nie jest rozstrzygający, należy jednak pamiętać, że stawiamy dopiero pierwsze kroki, a podstawowym ograniczeniem są skąpe dane. Wraz z napływem coraz większej liczby coraz dokładniejszych obserwacji jakość naszych przewidywań będzie tylko rosnąć”, podsumowuje prof. Biesiada.

PUBLIKACJE NAUKOWE:
„Lorentz Invariance Violation Test from Time Delays Measured with Gravitationally Lensed GRB Candidates 950830 and 200716C” L. Lan, A. Piórkowska-Kurpas, X. Wen, M. Biesiada, K. Liao, H. Gao, Z. Li The Astrophysical Journal 937:62 (7pp), 2022 DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac8df5

ILUSTRACJA:
Soczewkowane obrazy rozbłysku gamma mogą dochodzić do obserwatora po drogach o różnej długości (A, B). Jeśli fotony o różnych energiach podróżują z tą samą prędkością, opóźnienia między tymi samymi zmianami w wyglądzie obrazów A' i B' nie będą zależały od energii fotonów. Jeśli dla fotonów o większych energiach opóźnienie się zmieni, będzie to świadczyło, że poruszają się one z nieco inną prędkością niż fotony o mniejszych energiach. (Źródło: NCBJ)