Η καθυστέρηση των ακτίνων γάμμα μπορεί να είναι ένδειξη της 'Νέας Φυσικής'

Πηγή: Science Daily, 1 Οκτωβρίου 2007

Οι καθυστερημένες ακτίνες γάμμα που προέρχονται από το βαθύ διάστημα μπορούν να παρέχουν τα πρώτα στοιχεία για φυσική πέρα από τις τρέχουσες θεωρίες.

Το τηλεσκόπιο MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) διαπίστωσε ότι τα υψηλής ενέργειας φωτόνια της ακτινοβολίας γάμμα από έναν απόμακρο γαλαξία έφθασαν στη Γη τέσσερα λεπτά μετά από τα χαμηλής ενέργειας φωτόνια, αν και εκπέμφθηκαν προφανώς συγχρόνως. Εάν αυτό είναι σωστό, τότε αυτό έρχεται σε αντίθεση με τη θεωρία της σχετικότητας του Αίνστάιν, που λέει ότι όλα τα φωτόνια πρέπει να κινούνται με την ταχύτητα του φωτός.

"Ο καθένας είναι ταραγμένος για αυτό το αποτέλεσμα", λέει ο Daniel Ferenc, καθηγητής της φυσικής στο Νταίηβις της Καλιφόρνιας και μέλος της ομάδας του MAGIC. Ο Ferenc προειδοποίησε όμως ότι τα αποτελέσματα πρέπει να επαναληφθούν με άλλες πηγές ακτίνων γάμμα και ότι δεν έχει αποκλειστεί μια απλούστερη εξήγηση. Αλλά, "δείχνει ότι τέτοιες μετρήσεις είναι δυνατές", τονίζει.

Οι ερευνητές προτείνουν ότι η καθυστέρηση θα μπορούσε να προκληθεί από τα φωτόνια που αλληλεπιδρούν με τον "κβαντικό αφρό," ένας τύπος της δομής του ίδιου του χώρου. Ο κβαντικός αφρός προβλέπεται από την κβαντική θεωρία βαρύτητας, μια προσπάθεια να ενωθεί η κβαντική φυσική και η σχετικότητα στις κοσμικές κλίμακες.

Οι αστρονόμοι σημάδεψαν το τηλεσκόπιο πάνω στο Markarian 501, ένα γαλαξία μισό έτος φωτός πιο μακριά που περιέχει μια 'φωτεινή' ογκώδη μαύρη τρύπα που εκπέμπει ριπές ακτίνων γάμμα. Κάποιο από το υλικό που πέφτει προς τη μαύρη τρύπα συμπιέζεται σε πίδακες που εκρήγνυνται από τους πόλους του αντικειμένου κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Αυτοί οι πίδακες πυροδοτούν εκλάμψεις ακτίνων γάμμα διάρκειας λίγων λεπτών.

Οι ερευνητές ξεχώρισαν υψηλής - και χαμηλής ενέργειας φωτόνια ακτίνων γάμμα που προέρχονται από το αντικείμενο με κάθε έκλαμψη. Μαζί με μια ομάδα θεωρητικών φυσικών που καθοδηγήθηκαν από τον John Ellis του CERN, η ομάδα του MAGIC  έδειξε ότι τα φωτόνια με υψηλή και χαμηλή ενέργεια εμφανίστηκαν να εκπέμπονται συγχρόνως. Αλλά τα υψηλής ενέργειας φωτόνια έφθασαν τέσσερα λεπτά πιο αργά αφού ταξίδεψαν περίπου 500 εκατομμύρια έτη μέσα στο διάστημα.

Ίσως με αυτή την ανακάλυψη να υπάρχει και μια πρώτη υποψία πειραματικής μέτρησης φαινομένων που σχετίζονται με την θεωρία χορδών. Βεβαίως υπάρχει και το ενδεχόμενο το φαινόμενο αυτό να οφείλεται σε κάποιο γνωστό νόμο, γιατί η πρώτη ανακοίνωση της ομάδας του MAGIC αναφερόταν σε πιθανά αίτια σχετικά με την δομή και τους μηχανισμούς επιτάχυνσης σωματιδίων και παραγωγής ακτινοβολίας στους ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες.

Το μοντέλο για την ακτινοβολία σ' αυτές τις περιπτώσεις προβλέπει ότι όταν υπάρχει ένας πληθυσμός ηλεκτρονίων που επιταχύνονται πχ ένα κρουστικό κύμα και επειδή είναι μέσα σε μαγνητικό πεδίο παράγουν ακτινοβολία σύγχροτρον. Υπάρχει ακόμα και η δυνατότητα με αντίστροφο σκεδασμό Compton, τα ηλεκτρόνια να μετατρέψουν χαμηλότερης ενέργειας φωτόνια σε φωτόνια υψηλότερης ενέργειας. Έτσι παρατηρείται συχνά το φαινόμενο να έχουμε ενίσχυση των φωτονίων σύγχροτρον με τη βοήθεια του αντίστροφου σκεδασμού Compton σε αρκετά υψηλές ενέργειες που φτάνουν ως και τις ενέργειες της ακτινοβολίας γ. Ο μηχανισμός αυτός λέγετε self-Compton.

Η ιδέα λοιπόν της πρώτης ανακοίνωσης του MAGIC ήταν ότι μπορεί ο μηχανισμός της επιτάχυνσης να είναι τέτοιος ώστε να έχει διαφορετικούς χρόνους έναρξης η εκπομπή στις χαμηλότερες από ότι στις υψηλότερες ενέργειες. Γι αυτό και δεν υπάρχει καμιά σιγουριά για το αίτιο του φαινομένου. 

Και όπως το φως που διαδίδεται μέσα στο γυαλί, η αλληλεπίδραση του φωτός με τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία των ατόμων προκαλεί μια φαινόμενη αλλαγή στην ταχύτητα διάδοσής του, έτσι και εδώ η αλληλεπίδραση του φωτός με τις "κβαντικές διακυμάνσεις" του κενού προκαλεί μια φαινόμενη αλλαγή στην ταχύτητα διάδοσης. Είναι πολύ σημαντικό το ότι για πρώτη φορά λόγω του φαινομένου αυτού μπορούμε να διαγνώσουμε κάποια πράγματα για τα "άτομα" (τις κβαντικές διακυμάνσεις και τη συμπεριφορά τους) αυτά και κατ' επέκταση να πάρουμε πληροφορίες για την θεωρία χορδών. Αλλά τα παραπάνω δεν συνιστούν θεμελιώδης αναδιατύπωση της ειδικής και της γενικής σχετικότητας.

Η εργασία έχει υποβληθεί για δημοσίευση στο Physics Review Letters

Είναι άραγε λάθος η Θεωρία της Σχετικότητας

Μήπως 100 χρόνια μετά τη διατύπωση της Θεωρίας της Σχετικότητας θα έπρεπε να προχωρήσουμε στην αναθεώρησή της; Γιατί η τελευταία δέχεται ότι η ταχύτητα του φωτός είναι ανεξάρτητη από το χρώμα των φωτονίων του (δηλαδή την συχνότητα) στο κενό. Αξίωμα που έρχεται σε αντίθεση με την έρευνα ότι τα χαμηλής ενέργειας φωτόνια ήρθαν 4 λεπτά νωρίτερα από τα μεγάλης ενέργειας φωτόνια γάμμα.

Επειδή η ενέργεια ενός φωτονίου είναι ανάλογη της συχνότητάς του, η παρατήρηση αυτή μπορεί να ερμηνευθεί με δύο τρόπους. Ο πρώτος είναι ότι από τον πυρήνα του γαλαξία εκπέμφθηκαν πρώτα τα φωτόνια με χαμηλή συχνότητα και στη συνέχεια αυτά με υψηλή, και ο δεύτερος ότι τα τελευταία «καθυστέρησαν» στον δρόμο, επειδή οι υψηλές συχνότητες διαδίδονται με χαμηλότερη ταχύτητα από ό,τι οι χαμηλές.

Η πρώτη ερμηνεία είναι δυνατό να οφείλεται στον μηχανισμό εκπομπής στο εσωτερικό του γαλαξία, και όχι στη διάδοσή τους στον μεασογαλαξιακό χώρο., από το Markarian 501 ως τη Γη. Για παράδειγμα, είναι δυνατόν τα χαμηλής ενέργειας φωτόνια να εκπέμφθηκαν από την «ψυχρή επιφάνεια» του γαλαξιακού πυρήνα και τα υψηλής ενέργειας από το «θερμό κέντρο» του, οπότε τα τελευταία ακολούθησαν «τεθλασμένη» πορεία, λόγω συγκρούσεων με ατομικούς πυρήνες, και έτσι διένυσαν μεγαλύτερη διαδρομή. Άλλωστε, αν τα χαμηλής ενέργειας φωτόνια διαδίδονται με μεγαλύτερες ταχύτητες από ό,τι τα υψηλής, τότε «καθυστερήσεις» του είδους που παρατηρήθηκαν πρόσφατα θα έπρεπε να εμφανίζονται συστηματικά σε αναλαμπές ακτίνων-γ και από άλλους μακρινούς γαλαξίες. Επειδή μέχρι στιγμής έχουμε μία μόνο παρατήρηση αυτού του είδους, θα πρέπει να περιμένουμε για περισσότερα πειραματικά δεδομένα, προτού «αναγγείλουμε επίσημα» τον θάνατο της Θεωρίας της Σχετικότητας.

Η δεύτερη ερμηνεία έρχεται σε ασφαλώς σε αντίθεση με τη Θεωρία της Σχετικότητας, η οποία στηρίζεται στο αξίωμα ότι το φως έχει την ίδια πάντα ταχύτητα, 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο στο κενό, ανεξάρτητα από τη συχνότητά του. Μάλιστα η εξάρτηση της ταχύτητας των φωτονίων από τη συχνότητα προβλέπεται από τις θεωρίες της Κβαντικής Βαρύτητας.

Για να ελεγχθεί όμως από τους χρόνους άφιξης η σχέση διασποράς που προτείνετε από την ομάδα Νανόπουλου, δηλαδή για να ελεγχθεί ότι τα φωτόνια των ακτίνων γάμμα κινούνται με διαφορετική ταχύτητα ανάλογα με την ενέργειά τους, πρέπει να υποθέσουμε ότι όλα τα φωτόνια, όλων των ενεργειών, ξεκίνησαν ταυτόχρονα από την πηγή και άρα η όποια διαφορά στους χρόνους άφιξης πρέπει να οφείλεται στην διαφορά στην ταχύτητα.

Αυτή όμως η εικόνα δεν έχει καμία σχέση με αυτά που ξέρουμε για το πως παράγονται τα φωτόνια γάμμα στους ενεργούς γαλαξίες, όπως έχει εξηγηθεί από άλλους επιστήμονες.  Συγκεκριμένα, σύμφωνα με την επικρατούσα θεωρία του Synchrotron Self Compton (SSC) τα φωτόνια παράγονται σε διαφορετικούς χρόνους, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της επιτάχυνσης των ηλεκτρονίων (τα οποία και φτιάχνουν τα φωτόνια), και άλλες φορές εκπέμπονται πρώτα τα υψηλής ενέργειας φωτόνια ενώ άλλες φορές εκπέμπονται πρώτα τα χαμηλής ενέργειας φωτόνια.

Υπάρχει δε πλήθος από εργασίες με αρνητικά αποτελέσματα για το θέμα της ύπαρξης διαφοράς στην ταχύτητα των φωτονίων ανάλογα με την ενέργεια που έχουν. Μεταξύ των οποίων είναι:

New constraints on Planck-scale Lorentz Violation in QED from the Crab Nebula
Gamma-ray polarization constraints on Planck scale violations of special relativity
Constraints on quantum gravity from fast VHE gamma-ray flares of AGN

Φυσικά, αν τελικά οι παρατηρήσεις επιβεβαιώσουν τη διαφοροποίηση της ταχύτητας των φωτονίων με τη συχνότητα, τότε θα πρέπει να ασχοληθούμε με το ποια από όλες τις θεωρίες κβαντικής βαρύτητας είναι η σωστή. Οι θεωρίες αυτές είναι δυνατόν να καταταγούν, γενικά, σε δύο κατηγορίες: σε αυτές που προϋποθέτουν το «σπάσιμο» της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας, όπως είναι οι θεωρίες χορδών (string theories), και σε αυτές που προβλέπουν την «παραμόρφωση» της θεωρίας αυτής, όπως η Διπλή Ειδική Θεωρία Σχετικότητας. Επειδή, πέρα από τη μη σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός, καθεμιά από αυτές προβλέπει και άλλα, διαφορετικά φαινόμενα, σίγουρα θα γίνει δυνατό στο μέλλον να αποφασίσουμε ποια από όλες τις θεωρίες συμφωνεί με τις παρατηρήσεις. Οι φυσικοί σήμερα περιμένουν με ανυπομονησία να δουν αν οι αρχές του 21ου αιώνα θα φέρουν μια επανάσταση στην επιστήμη τους, ανάλογη με αυτήν που έφεραν η Θεωρία της Σχετικότητας και η Κβαντομηχανική στις αρχές του 20ού αιώνα.  

Πρόσθετες πληροφορίες: Blog Vagelford, Βάρβογλης