Гамма-сплеск надвисокої енергії обмежив порушення лоренц-інваріантності

Фізики отримали нижні обмеження на величину енергії, при якій може порушуватися лоренц-інваріантність - тобто можуть проявлятися відхилення від прогнозів загальної теорії відносності. Для цього вони проаналізували випромінювання гамма-сплеску GRB 190114C: енергія фотонів від нього досягала діапазону тераелектронвольт, що дозволило вченим вперше провести подібні розрахунки для випромінювання надвисокої енергії. Результати обчислень виявилися порівнянні з найбільш суворими на сьогоднішній день обмеженнями. Дослідження опубліковано в.

У рамках загальної теорії відносності вважається, що фізичні системи мають лоренц-інваріантність - тобто закони, що регулюють їхню поведінку, не змінюються при переході між інерціальними системами відліку (математично такий перехід описується перетвореннями Лоренца). Однак існують моделі, в яких передбачається, що лоренц-інваріантність дотримується лише наближено і тільки за умови досить низької енергії - подібно до того, як рівняння класичної механіки добре діють лише при досить малих швидкостях об'єктів. У цьому випадку при енергіях вище характерних меж повинні спостерігатися ефекти порушення лоренц-інваріантності - зокрема, проявлятися енергетична залежність ставлення енергії фотона до його імпульсу, а разом з цим починає залежати від енергії і швидкість руху фотона у вакуумі.

Щоб перевіряти такі припущення і визначати величини енергії, при яких можна довіряти прогнозам теорії, фізикам потрібно експериментально спостерігати за частинками з високою енергією. Одне з можливих джерел таких частинок - гамма-сплески - короткочасні (характерна тривалість - кілька секунд) електромагнітні спалахи, практично щодня реєстровані в різних областях космосу. Протягом одного сплеску може вивільнятися енергія, на виробництво якої Сонцю знадобилося б кілька мільярдів років, - частина цієї енергії доходить до нас у вигляді жорсткого електромагнітного випромінювання, тобто високоенергетичних фотонів.

Дослідники колаборації MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope) за участю Луїса Нава (Luis Nava) з Національного інституту астрофізики в Італії зайнялися пошуком ефектів порушення лоренц-інваріантності у випромінюванні гамма-сплеску. Вчені скористалися спостереженнями однойменних черенківських телескопів в обсерваторії Роке-де-лос-Мучачос на Канарських островах. 14 січня 2019 року ці прилади зареєстрували GRB 190114C - перший гамма-сплеск, енергія фотонів якого досягла діапазону тераелектронвольт (у трильйон разів більше енергії видимого світла).

Припустивши, що в аналізованому випромінюванні відбувалося порушення лоренц-інваріантності, автори пов'язали затримку в реєстрації фотонів (викликану різністю їх швидкостей) з різністю в енергії цих частинок. Процес випускання фотонів фізики описували двома способами: у першому випадку - вважаючи, що джерело може випромінювати частку з рівною ймовірністю в будь-який момент від початку сплеску, а в другому - параметризуючи розподіл фотонів у часі на основі кривої блиску спалаху. Потім вчені підбирали параметри моделі (яким відповідали характерні енергії порушення лоренц-інваріантності в першому і другому порядку) так, щоб прогнози якомога краще відповідали реальним вимірюванням.

Вчені не виявили ознак значних відхилень від прогнозів загальної теорії відносності: підбір параметрів не привів модель до статистично значущої переваги над нульовою гіпотезою (про збереження лоренц-інваріантності). Тим не менш, фізики отримали нижні обмеження на енергетичний масштаб таких ефектів - на рівні 0.28-0.58 ст.1 10¹⁹ гігаелектронвольт для відхилень в першому порядку і 5.6-7.3 10¹⁰ гігаелектронвольт - у другому. Це не найсуворіші з наявних на сьогоднішній день кордонів, проте порівняні з ними в межах порядку величини.

Дослідники відзначають, що точність результатів була обмежена порівняно невеликим червоним зміщенням гамма-сплеску (близько 0,4245) - майбутні спостереження, ймовірно, дозволять спостерігати фотони надвисоких енергій від більш далеких спалахів і поліпшити численні оцінки.

Детальніше про гамма-сплески та їх реєстрацію можна дізнатися в матеріалі «Спалах за спалахом», а про те, як вчені вперше відкрили і виміряли поляризацію їх випромінювання - в тексті «МАЙСТЕР швидкого реагування».