Гамма-всплески установили пределы квантовой гравитации

NASA/Swift/Mary Pat Hrybyk-Keith and John Jones

Если сравнить временнýю задержку между фотонами разных энергий, приходящих от далеких объектов, можно установить ограничения на масштаб энергии, на котором проявляются эффекты квантовой гравитации. Ученые из Франции и Италии проанализировали данные двадцати одного короткого гамма-всплеска и нашли, что эта энергия должна быть не меньше 1,5×1016 гигаэлектронвольт. Статья опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.

Различные теории квантовой гравитации призваны объединить гравитационные и квантовые эффекты. На данный момент ни одна из этих теорий не является общепризнанной, однако все они предсказывают, что Общая теория относительности перестанет работать при достижении некоторого предела энергий EQG. Теории квантовой гравитации, претендующие на роль «теории всего», должны зависеть только от фундаментальных величин, и поэтому ожидается, что величина EQG будет сравнима с Планковской энергией Ep ~ 1019 гигаэлектронвольт. Тем не менее, точное значение этого предела неизвестно.

Одним из способов установить величину энергетического предела применимости классической теории Эйнштейна является поиск нарушений Лоренц-ковариантности. Другими словами, в квантовых теориях гравитации скорость движения фотонов (то есть скорость света) перестает быть постоянной величиной и начинает зависеть от энергии частиц, уменьшаясь или увеличиваясь (в зависимости от теории) при приближении к пределу EQG. Поэтому фотоны разных энергий, испущенные далекими источниками, должны приходить на Землю с некоторой задержкой по времени, пропорциональной расстоянию до источника и разнице энергий фотонов. Измерив эту задержку, можно определить ограничения на значение EQG. Логика тут простая — чем меньше задержка, тем слабее сказываются эффекты квантовой гравитации и тем выше находится предел EQG.

Гамма-всплески идеально подходят для такой проверки. Они находятся достаточно далеко от Земли — вплоть до красного смещения z = 9,2, при таких значениях даже говорить о расстоянии неверно, поскольку Вселенная успела расшириться за время, в течение которого свет шел от источника до приемника. В то же время, диапазон энергий фотонов, рождающихся в таких всплесках, очень широк. Например, из наблюдений за всплеском GRB 090510 задержка по времени между фотонами с разницей энергий 31 гигаэлектронвольт составила 0,8 секунд, что устанавливает ограничение EQG > 7,6 Ep. Однако результаты, полученные из единичных измерений, не очень надежны, поскольку они могут зависеть от особенностей отдельного источника. Для более надежных ограничений стоит использовать усредненные значения от нескольких гамма-всплесков.

В данной работе для установления нижней границы энергетического предела EQG ученые использовали данные по 21 короткому гамма-всплеску (short gamma-ray burst, S-GRB, длительность всплеска менее двух секунд), собранные орбитальной обсерваторией Swift. Красное смещение этих всплесков лежало в диапазоне от z = 0,36 до z = 2,2. Для установления временной задержки исследователи применили следующую методику. Сначала они извлекли из экспериментальных данных с помощью инструмента BAT кривые интенсивности потока фотонов в диапазонах 50-100 и 150-200 килоэлектронвольт. Затем физики рассчитали функцию взаимной корреляции этих кривых для различных задержек по времени. Наконец, в приближении асимметричной гауссовой модели они нашли значение, которое максимизирует эту функцию. Данную последовательность действий исследователи повторили для каждого гамма-всплеска.

Затем ученые рассчитали поправку на расстояние до источников гамма-всплесков и вычислили с ее учетом ограничение на предел EQG в каждом конкретном случае, предполагая, что задержка по времени зависит от расстояния линейно. Впрочем, для рассматриваемых источников эта поправка была не очень велика, поскольку их красное смещение было относительно мало. Наконец, физики усреднили значения для всех гамма-всплесков и получили, что с вероятностью 95 процентов нижняя граница составляет EQG = 1,5×1016 гигаэлектронвольт. Это значение не такое строгое, как ограничение от единичного гамма-всплеска GRB 090510, однако оно улучшает результаты предыдущих усредненных измерений. Поэтому авторы статьи считают, что их результаты помогут установить, какой вклад в задержку по времени вносят эффекты именно квантовой гравитации.

На прошлой неделе мы писали о том, как ученые установили с помощью анализа приливных эффектов и движения Луны ограничения для другой теории, предполагающей объединение гравитации и квантовых эффектов — расширенной стандартной модели. Также недавно физики рассчитали, насколько может отличаться скорость гравитации от скорости света.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.