Гамма-всплеск сверхвысокой энергии ограничил нарушение лоренц-инвариантности

Физики получили нижние ограничения на величину энергии, при которой может нарушаться лоренц-инвариантность — то есть могут проявляться отклонения от прогнозов общей теории относительности. Для этого они проанализировали излучение гамма-всплеска GRB 190114C: энергия фотонов от него достигала диапазона тераэлектронвольт, что позволило ученым впервые провести подобные расчеты для излучения сверхвысокой энергии. Результаты вычислений оказались сравнимы с наиболее строгими на сегодняшний день ограничениями. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

В рамках общей теории относительности считается, что физические системы обладают лоренц-инвариантностью — то есть регулирующие их поведение законы не меняются при переходе между инерциальными системами отсчета (математически такой переход описывается преобразованиями Лоренца). Однако существуют модели, в которых предполагается, что лоренц-инвариантность соблюдается лишь приближенно и только при условии достаточно низкой энергии — подобно тому, как уравнения классической механики хорошо действуют лишь при достаточно малых скоростях объектов. В этом случае при энергиях выше характерных пределов должны наблюдаться эффекты нарушения лоренц-инвариантности — в частности, проявляться энергетическая зависимость отношения энергии фотона к его импульсу, а вместе с этим начинает зависеть от энергии и скорость движения фотона в вакууме.

Чтобы проверять подобные предположения и определять величины энергии, при которых можно доверять прогнозам теории, физикам нужно экспериментально наблюдать за частицами с высокой энергией. Один из возможных источников таких частиц — гамма-всплески — кратковременные (характерная продолжительность — несколько секунд) электромагнитные вспышки, практически ежедневно регистрируемые в разных областях космоса. В течение одного всплеска может высвобождаться энергия, на производство которой Солнцу потребовалось бы несколько миллиардов лет, — часть этой энергии доходит до нас в виде жесткого электромагнитного излучения, то есть высокоэнергетичных фотонов.

Исследователи коллаборации MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope) при участии Луиса Нава (Luis Nava) из Национального института астрофизики в Италии занялись поиском эффектов нарушения лоренц-инвариантности в излучении гамма-всплеска. Ученые воспользовались наблюдениями одноименных черенковских телескопов в обсерватории Роке-де-лос-Мучачос на Канарских островах. 14 января 2019 года эти приборы зарегистрировали GRB 190114C — первый гамма-всплеск, энергия фотонов которого достигла диапазона тераэлектронвольт (в триллион раз больше энергии видимого света).

Предположив, что в анализируемом излучении происходило нарушение лоренц-инвариантности, авторы связали задержку в регистрации одновременно покинувших источник фотонов (вызванную разностью их скоростей) с разностью в энергии этих частиц. Процесс испускания фотонов физики описывали двумя способами: в первом случае — полагая, что источник может излучить частицу с равной вероятностью в любой момент от начала всплеска, а во втором — параметризуя распределение фотонов во времени на основе кривой блеска вспышки. Затем ученые подбирали параметры модели (которым отвечали характерные энергии нарушения лоренц-инвариантности в первом и втором порядке) так, чтобы прогнозы как можно лучше соответствовали реальным измерениям.

Ученые не обнаружили признаков значительных отклонений от прогнозов общей теории относительности: подбор параметров не привел модель к статистически значимому преимуществу над нулевой гипотезой (о сохранении лоренц-инвариантности). Тем не менее, физики получили нижние ограничения на энергетический масштаб таких эффектов — на уровне 0.28–0.58 × 10¹⁹ гигаэлектронвольт для отклонений в первом порядке и 5.6–7.3 × 10¹⁰ гигаэлектронвольт — во втором. Это не самые строгие из имеющихся на сегодняшний день границ, однако сравнимы с ними в пределах порядка величины.

Исследователи отмечают, что точность результатов была ограничена сравнительно небольшим красным смещением гамма-всплеска (около 0,4245) — будущие наблюдения, вероятно, позволят наблюдать фотоны сверхвысоких энергий от более далеких вспышек и улучшить численные оценки.

Подробнее о гамма-всплесках и их регистрации можно узнать в материале «Вспышка за вспышкой», а о том, как ученые впервые открыли и измерили поляризацию их излучения — в тексте «МАСТЕР быстрого реагирования».

Николай Мартыненко