Un cataclismo cósmico permite poner a prueba la estructura cuántica del espacio-tiempo

Los resultados, publicados en la revista Physical Review Letters, muestran que fotones de distintas energías emitidos hace unos 4500 millones de años llegan a la Tierra con una diferencia de tiempo inferior a un minuto, poniendo así un límite a la hipótesis de que la velocidad de los fotones depende de su energía.

Investigadores del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB), el Institut de Física d'Altes Energies (IFAE), el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), la Universidad Complutense de Madrid (UCM) y el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) participan en la investigación.

La teoría de la Relatividad de Einstein postula que la velocidad de la luz en el vacío es una constante independiente de la energía de los fotones (partículas de luz). En un estudio publicado en la revista Physical Review Letters, un equipo internacional de investigadores ha tratado de poner a prueba este postulado utilizando observaciones de un estallido de rayos gamma (gamma-ray burst, o GRB) detectado en enero de 2019 por los dos telescopios MAGIC de La Palma.

El intento no carece de fundamento: la teoría de Einstein describe la gravedad como resultado de la interacción de la masa con el espacio-tiempo y sus predicciones han sido verificadas en numerosos experimentos. Pese a ello, los físicos sospechan que existe una teoría más fundamental, de naturaleza cuántica, aún desconocida. Algunas de las teorías cuánticas de la gravedad que han sido propuestas incluyen la posibilidad de que la velocidad a la que viajan los fotones en el vacío dependa de su energía. Este fenómeno hipotético recibe el nombre de violación de la invariancia de Lorentz (LIV, por sus siglas en inglés). Se cree que, de existir, esta diferencia de velocidad sería demasiado pequeña para ser medida, a menos que su efecto se acumule durante largos periodos de tiempo o, equivalentemente, de grandes distancias, como ocurre con la emisión que se produce en los GRBs y se detecta en la Tierra.

 Estallidos de rayos gamma, las explosiones más violentas del Universo

Los GRBs son breves fogonazos de fotones de muy alta energía (o rayos gamma) emitidos por lejanas explosiones cósmicas. Los fotones producidos por los GRBs viajan durante miles de millones de años antes de llegar a la Tierra, lo que podría hacer medible el efecto de las hipotéticas diferencias en su velocidad. Además, las teorías de gravedad cuántica predicen que esta diferencia sería mayor cuanto mayor sea la energía de los fotones. Por ello se espera que los telescopios de rayos gamma de muy alta energía, tales como los MAGIC, sean especialmente competitivos en la búsqueda de efectos de LIV.

Los GRBs ocurren en momentos y lugares del cielo imprevisibles. Existen detectores de GRBs a bordo de satélites en órbita alrededor de la Tierra, que tienen un campo de visión muy amplio, lo que les permite detectar y localizar GRBs de forma casi instantánea en cuanto se producen y enviar alarmas a telescopios de todo el mundo, entre ellos los MAGIC. El 14 de enero de 2019, tras recibir una alerta del detector de GRBs del satélite Swift, MAGIC culminó una búsqueda que ha durado más de 15 años, con la primera detección de un GRB en la banda de rayos gamma de muy alta energía. El llamado GRB190114C pudo ser detectado gracias a que MAGIC comenzó su observación tan solo 50 segundos después de que se produjera. Marc Ribó, investigador del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) en el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) y Coordinador Adjunto de Física de la Colaboración MAGIC, nos dice: “Unos de los aspectos más positivos que ha revelado el estudio detallado del GRB190114 es que se trata de un GRB más o menos corriente. Esto son buenas noticias porque significa que probablemente detectaremos más similares. Nuestra detección inaugura una nueva fase en la búsqueda de efectos de LIV en observaciones de fuentes cósmicas de rayos gamma”.

Los científicos quisieron utilizar esta observación única hasta la fecha para buscar efectos de gravedad cuántica. Al principio se toparon con un obstáculo: la señal de rayos gamma registrada por MAGIC decrecía monótonamente con el tiempo. Aunque este es un dato interesante para entender cómo se producen los GRBs, no es favorable para buscar efectos de LIV. Como explica Daniel Kerszberg, científico postdoctoral del Institut de Física d'Altes Energies (IFAE) y uno de los autores principales del estudio: “Para saber si los rayos gamma viajan a diferentes velocidades deberíamos ser capaces de comparar los tiempos de llegada de rayos gamma que fueron emitidos por el GRB en el mismo momento. Como no es posible saber el momento preciso de la emisión de fotones individuales, normalmente utilizamos variaciones temporales repentinas de la señal para reconocer fotones que fueron probablemente emitidos al mismo tiempo”. Pero una señal monótonamente decreciente no muestra dichas variaciones. Así que los investigadores utilizaron modelos teóricos para describir la evolución temporal de la emisión en la banda de muy alta energía en el intervalo entre el comienzo del GRB y las observaciones con MAGIC. Kerszberg añade: “Para buscar señales de LIV en nuestros datos utilizamos dos formas diferentes de modelizar su evolución temporal. Queríamos estar seguros de no cometer errores al extraer conclusiones de esta señal excepcional, la primera de un GRB en la banda de muy alta energía”.

Poniendo a prueba la naturaleza cuántica del espacio-tiempo

Este análisis cuidadoso de los datos no encontró ninguna diferencia significativa en la velocidad de los rayos gamma de diferente energía. Esto no quiere decir que el esfuerzo fuera inútil, ya que los científicos de MAGIC consiguieron poner límites a las posibles teorías de gravedad cuántica. Javier Rico, investigador del IFAE y Coordinador de Análisis y Publicaciones de la Colaboración MAGIC, comenta: “El GRB190114C ocurrió cuando la Tierra estaba todavía formándose, hace 4500 millones de años. Desde entonces, los rayos gamma que emitió han estado viajando por el Universo hasta que, hace poco más de un año, detectamos cientos con los telescopios MAGIC. Analizándolos pudimos determinar que el tiempo que emplearon los diferentes fotones en el viaje difirió como máximo en aproximadamente un minuto.”

Los límites a la gravedad cuántica que se han obtenido en este trabajo están de acuerdo con los ya existentes hasta la fecha, y son los primeros que se obtienen mediante la observación de la emisión de mayor energía que se produce en un GRB. Con este estudio pionero, el equipo MAGIC ha establecido un punto de partida para futuras investigaciones en la búsqueda de efectos medibles de la naturaleza cuántica del espacio-tiempo. Oscar Blanch, investigador del IFAE y Portavoz de la Colaboración MAGIC, nos dice: “Confiamos en que futuras detecciones de GRBs en la banda de muy altas energías incluirán la emisión temprana, anterior al decrecimiento monótono, que se espera sea rica en estructura temporal, lo que aumentará nuestra sensibilidad a efectos LIV de forma significativa”.

Los telescopios MAGIC

MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) es un sistema de dos telescopios de 17 metros de diámetro ubicados a 2200 metros sobre el nivel del mar en el Observatorio El Roque de los Muchachos (ORM), en la isla canaria de La Palma, España. Los telescopios están diseñados para detectar rayos gamma de muy alta energía, utilizando la técnica de imágenes Cherenkov atmosféricas. Los telescopios MAGIC están gestionados por una colaboración internacional de alrededor de 280 personas de 12 países, incluidos científicos, ingenieros, técnicos y otro personal.

La comunidad española participa en MAGIC desde sus inicios. Actualmente son miembros de MAGIC el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), el Institut de Física d'Altes Energies (IFAE), la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) y la Universidad Complutense de Madrid (UCM). El IEEC participa en este proyecto a través de investigadores de las unidades ICCUB y el Centre d’Estudis i Recerca Espacials (CERES, UAB). Además, el centro de datos de MAGIC es el Port d'Informació Científica (PIC), una colaboración del IFAE y el CIEMAT.

Referencias

Bounds on Lorentz invariance violation from MAGIC observation of GRB 190114C, MAGIC Collaboration, Phys. Rev. Lett. 125 (2020), doi:10.1103/PhysRevLett.125.021301.

Acciari, V.A., Ansoldi, S., Antonelli, L.A. et al. Teraelectronvolt emission from the gamma-ray burst GRB 190114C. Nature 575, 455–458 (2019).

Acciari, V.A., Ansoldi, S., Antonelli, L.A. et al. Observation of inverse Compton emission from a long gamma-ray burst. Nature 575, 459–463 (2019).

Enlaces

– IEEC
– Magic Collaboration
– Research paper

Más información

Esta investigación se presenta en el artículo “Bounds on Lorentz invariance violation from MAGIC observation of GRB 190114C”, de la colaboración MAGIC, que aparecerá en la revista Physical Review Letters, hoy 9 de Julio. 

El Instituto de Estudios Espaciales de Catalunya (IEEC) promueve y coordina la investigación y el desarrollo tecnológico espacial en Cataluña en beneficio de la sociedad. El IEEC fomenta las colaboraciones tanto a nivel local como mundial, y es un eficiente agente de transferencia de conocimiento, innovación y tecnología. Como resultado de más de 20 años de investigación de alta calidad, llevada a cabo en colaboración con las principales organizaciones internacionales, el IEEC se encuentra entre los mejores centros de investigación internacionales, centrados en áreas como: astrofísica, cosmología, ciencias planetarias y observación de la Tierra. La división de ingeniería del IEEC desarrolla instrumentación para proyectos terrestres y espaciales, y tiene una amplia experiencia trabajando con organizaciones privadas y públicas del sector aeroespacial y otros sectores de innovación.  

El IEEC es una fundación privada sin ánimo de lucro, regida por un Patronato compuesto por la Generalitat de Catalunya y otras cuatro instituciones con una unidad científica cada una, que en conjunto constituyen el núcleo de la actividad de I+D del IEEC: la Universidad de Barcelona (UB) con la unidad científica ICCUB – Instituto de Ciencias del Cosmos; la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) con la unidad científica CERES – Centro de Estudios e Investigación Espaciales; la Universidad Politécnica de Catalunya (UPC) con la unidad científica CTE – Grupo de Investigación en Ciencias y Tecnologías del Espacio; y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) con la unidad científica ICE – Instituto de Ciencias del Espacio. El IEEC está integrado en la red CERCA (Centres de Recerca de Catalunya).

Imagen

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Caption: Los telescopios MAGIC en el Observatorio del Roque de los Muchachos, La Palma, Islas Canarias, España.
Credit: Giovanni Ceribella (MAGIC Collaboration)

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Caption: Visión artística de un GRB observado por los telescopios MAGIC.
Credit: Superbossa.com and Alice Donini

Contactos

Oscar Blanch Bigas
Portavoz de la Colaboración MAGIC
Institut de Física d’Altes Energies, Barcelona 
blanch@ifae.es

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