普朗克研究所:伽瑪射線爆發數據也證實了愛因斯坦的廣義相對論

2020-12-05 量子認知

在2019年，神奇伽馬射線望遠鏡以非常高的能量探測到了第一個伽瑪射線爆發，是從這樣一個宇宙物體上獲得的最強烈的伽馬輻射。

神奇伽馬射線望遠鏡，英文：Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes，簡稱：MAGIC，是高能立體視野望遠鏡建造前世界上最大的望遠鏡。第一臺望遠鏡建於2004年，以獨立模式運行了五年。第二臺望遠鏡距離第一臺望遠鏡85米，於2009年7月開始採集數據。它們共同組成神奇伽馬射線望遠鏡系統。

慕尼黑馬克斯·普朗克物理研究所和神奇伽馬射線望遠鏡的科學家們，通過對伽瑪射線爆發數據的進一步分析，可以確認光速在真空中是恆定的，而不依賴於能量。因此，與許多其他測試一樣，伽瑪射線爆發數據也證實了愛因斯坦的廣義相對論。該研究成果論文發表在今天的《物理評論快報》上。

愛因斯坦的廣義相對論是一個優美的理論，它解釋了質量和能量如何與時空相互作用，從而產生了一種通常稱為引力的現象。廣義相對論已在各種物理情況下和許多不同的規模上進行了測試和重新測試，並且假定光速是恆定的，因此它總是能夠出色地預測實驗結果。儘管如此，物理學家懷疑廣義相對論不是最基本的理論，並且可能存在一種潛在的引力量子力學描述，稱為量子引力。

一些量子引力理論認為，光速可能取決於能量。這種假設稱為洛倫茲不變性違反（Lorentz Invariance Violation，簡寫：LIV）。它的作用被認為太小而無法測量，除非它們在很長的時間內積累起來。那麼如何實現呢？一種解決方案是使用來自天文伽瑪射線源的信號。伽馬射線爆發是強大而遙遠的宇宙爆炸，它會發射高度可變、極具能量的信號。因此，它們是進行量子引力實驗測試的出色實驗室。預計高能光子將受到量子引力效應的影響更大，應該有很多。它們在到達地球之前就旅行了數十億年，這增強了效果。

伽瑪射線爆發每天都在用衛星探測器探測，探測器觀測天空的大部分，但能量比MAGIC等地面望遠鏡低。 2019年1月14日，MAGIC望遠鏡系統檢測到了萬億電子伏特級電子能量中的第一個伽瑪射線爆發，因此記錄了迄今為止從這樣的物體上觀察到的最高能的光子，並通過多次分析以研究該物體的性質和非常高的能量輻射。

研究人員表示：「從來沒有對TeV能量範圍內的伽瑪射線爆發數據進行洛倫茲不變性違反研究，這僅僅是因為到目前為止還沒有這樣的數據。二十多年來，我們一直在期待這種觀察可以提高對洛倫茲不變性違反效應的敏感性，但是直到看到我們的分析最終結果，我們才能說出多少。這是一個非常令人興奮的時期。」

科學家們希望利用這一獨特的觀察來尋找量子引力的作用。然而，從一開始，就遇到了障礙：用MAGIC望遠鏡記錄的信號隨時間單調衰減。雖然這對於天體物理學家研究伽瑪射線爆發是一個有趣的發現，但對洛倫茲不變性違反的測試不利。

研究人員表示：「在比較兩種不同能量的伽馬射線的到達時間時，我們假設它們是從源頭瞬時發出的。但是，我們對天體過程的認識仍然不夠精確到查明任何給定光子的發射時間。」

傳統上，天體物理學家依靠信號的可識別變化來限制光子的發射時間。單調變化的信號缺少這些功能。因此，研究人員使用了理論模型，該模型描述了MAGIC望遠鏡開始觀測之前預期的伽馬射線發射。該模型包括通量的快速上升、峰值發射和像MAGIC觀察到的那樣的單調衰減。這為科學家提供了真正尋找洛倫茲不變性違反的途徑。

然後仔細分析發現，伽馬射線的到達時間沒有能量依賴的時間延遲。慕尼黑馬克斯·普朗克物理研究所的研究員、賈科莫·達米科（Giacomo D'Amico）表示：」在這項研究中，所設定的限值與使用衛星探測器進行伽瑪射線爆發觀測，與使用活動銀河核的地面觀測所獲得的最佳可用限值，是符合的。

研究人員表示：「我們都很高興，很榮幸能夠對TeV能量範圍內的伽瑪射線爆發數據首次進行了關於洛倫茲不變性違反的研究，並為將來的研究打開了大門！」

與以前的工作相比，這是有史以來第一次在TeV能量下對伽瑪射線爆發信號進行的測試。通過這項開創性的研究，MAGIC團隊因此為21世紀的愛因斯坦理論的進一步研究和更嚴格的檢驗奠定了立足之地。 MAGIC項目合作的發言人Oscar Blanch總結道：「這次，我們觀察到了相對較近的伽瑪射線爆發。我們希望能儘快捕捉到更明亮、更遙遠的事件，從而進行更敏感的測試。」

參考：

Bounds on Lorentz invariance violation from MAGIC observation of GRB 190114C. Physical Review Letters, 2020.Teraelectronvolt emission from the γ-ray burst GRB 190114C. Nature, 2019. Observation of inverse Compton emission from a long γ-ray burst. Nature, 2019.

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