Якщо порівняти тимчасову затримку між фотонами різних енергій, що приходять від далеких об'єктів, можна встановити обмеження на масштаб енергії, на якому проявляються ефекти квантової гравітації. Науковці з Франції та Італії проаналізували дані двадцяти одного короткого гамма-сплеску і знайшли, що ця енергія повинна бути не меншою 1,5 ніж 1016 гігаелектронвольт. Стаття опублікована в журналі.
Різні теорії квантової гравітації покликані об'єднати гравітаційні та квантові ефекти. На даний момент жодна з цих теорій не є загальновизнаною, проте всі вони передбачають, що Загальна теорія відносності перестане працювати при досягненні деякої межі енергій EQG. Теорії квантової гравітації, що претендують на роль «теорії всього», повинні залежати тільки від фундаментальних величин, і тому очікується, що величина EQG буде порівнянна з Планківською енергією Ep ауд 1019 гігаелектронвольт. Тим не менш, точне значення цієї межі невідоме.
Одним із способів встановити величину енергетичної межі застосовності класичної теорії Ейнштейна є пошук порушень Лоренц-підступності. Іншими словами, в квантових теоріях гравітації швидкість руху фотонів (тобто швидкість світла) перестає бути постійною величиною і починає залежати від енергії частинок, зменшуючись або збільшуючись (залежно від теорії) при наближенні до межі EQG. Тому фотони різних енергій, випущені далекими джерелами, повинні приходити на Землю з деякою затримкою за часом, пропорційною відстані до джерела і різниці енергій фотонів. Виміряючи цю затримку, можна визначити обмеження на значення EQG. Логіка тут проста - чим менше затримка, тим слабкіше позначаються ефекти квантової гравітації і тим вище знаходиться межа EQG.
Гамма-сплески ідеально підходять для такої перевірки. Вони знаходяться досить далеко від Землі - аж до червоного зміщення z = 9,2, при таких значеннях навіть говорити про відстані невірно, оскільки Всесвіт встиг розширитися за час, протягом якого світло йшло від джерела до приймача. У той же час, діапазон енергій фотонів, що народжуються в таких сплесках, дуже широкий. Наприклад, зі спостережень за сплеском GRB 090510 затримка за часом між фотонами з різницею енергій 31 гігаелектронвольт склала 0,8 секунд, що встановлює обмеження EQG > 7,6 Ep. Однак результати, отримані з одиничних вимірювань, не дуже надійні, оскільки вони можуть залежати від особливостей окремого джерела. Для більш надійних обмежень варто використовувати усереднені значення від декількох гамма-сплесків.
У даній роботі для встановлення нижньої межі енергетичної межі EQG вчені використовували дані по 21 короткому гамма-сплеску (short gamma-ray burst, S-GRB, тривалість сплеску менше двох секунд), зібрані орбітальною обсерваторією Swift. Червоне зміщення цих сплесків лежало в діапазоні від z = 0,36 до z = 2,2. Для встановлення тимчасової затримки дослідники застосували наступну методику. Спочатку вони витягли з експериментальних даних за допомогою інструменту BAT криві інтенсивності потоку фотонів в діапазонах 50-100 і 150-200 кілоелектронвольт. Потім фізики розрахували функцію взаємної кореляції цих кривих для різних затримок за часом. Нарешті, в наближенні асиметричної гаусової моделі вони знайшли значення, яке максимізує цю функцію. Цю послідовність дій дослідники повторили для кожного гамма-сплеску.
Потім вчені розрахували поправку на відстань до джерел гамма-сплесків і вирахували з її урахуванням обмеження на межу EQG в кожному конкретному випадку, припускаючи, що затримка за часом залежить від відстані лінійно. Втім, для розглянутих джерел ця поправка була не дуже велика, оскільки їх червоне зміщення було відносно мало. Нарешті, фізики усереднили значення для всіх гамма-сплесків і отримали, що з імовірністю 95 відсотків нижня межа становить EQG = 1,5 1016 гігаелектронвольт. Це значення не таке суворе, як обмеження від одиничного гамма-сплеску GRB 090510, однак воно покращує результати попередніх усереднених вимірювань. Тому автори статті вважають, що їх результати допоможуть встановити, який внесок у затримку за часом роблять ефекти саме квантової гравітації.
Минулого тижня ми писали про те, як вчені встановили за допомогою аналізу приливних ефектів і руху Місяця обмеження для іншої теорії, що передбачає об'єднання гравітації і квантових ефектів - розширеної стандартної моделі. Також нещодавно фізики розрахували, наскільки може відрізнятися швидкість гравітації від швидкості світла.