Teleskopi MAGIC otkrili su, 2019. godine, po prvi put provalu gama-zračenja (eng. Gamma-ray burst, GRB) na vrlo visokim energijama [1, 2]. Nikada ranije nije opaženo gama-zračenje tolikog intenziteta iz kozmičkog objekta ove vrste. Ali podaci iz GRB-a otkrivaju još tajni svemira: znanstvenici kolaboracije MAGIC iskoristili su ovo jedinstveno opažanje kako bi testirali kvantnu prirodu prostor-vremena i potvrdili da je brzina svjetlosti u vakuumu nepromjenjiva te ne ovisi o energiji zračenja. Podaci iz GRB-a potvrđuju Einsteinovu opću teoriju relativnosti. Studija je upravo objavljena u prestižnom znanstvenom časopisu Physical Review Letters [3]. Vodeći autor je Tomislav Terzić s Odjela za fiziku Sveučilišta u Rijeci.
Einsteinova opća relativnost (eng. general relativity, GR) prekrasna je fizikalna teorija, koja opisuje kako masa i energija međudjeluju s prostor-vremenom. Pojavu koja pritom nastaje opažamo kao gravitaciju. Opća teorija relativnosti provjerena je različitim fizikalnim situacijama i na različitim skalama. Rezultati svih provjera i mjerenja u savršenom su slaganju s teorijskim izračunima i u potpunosti u skladu s pretpostavkom da je brzina svjetlosti u vakuumu nepromjenjiva. Einsteinova gravitacija je klasična teorija za koju još ne postoji funkcionalni i eksperimentalno potvrđeni kvantno-mehanički opis. Očekujemo da takva teorija postoji, ali ne znamo kako ona glasi. Razvoj teorije kvantne gravitacije slijedi nekoliko različitih smjerova, bez naznaka koji je ispravan. Neki kandidati za teoriju kvantne gravitacije (eng. quantum gravity, QG) ostavljaju mogućnost da brzina svjetlosti ipak nije konstantna te da se mijenja ovisno o energiji fotona (čestica svjetlosti). Ta hipotetska pojava naziva se narušenje Lorentzove simetrije (eng. Lorentz invariance violation, LIV). Ključnu ulogu u odabiru pravog smjera razvoja teorije igraju eksperimentalna istraživanja. Energije na kojima bi kvantna gravitacija trebala biti ispitana nedostižne su u postojećim laboratorijima, a efekti na čestice u laboratorijima, ako i postoje, premali su da bismo ih mogli izmjeriti. Međutim svemir je napučen prirodnim “kozmičkim akceleratorima”, koji ubrzavaju čestice do energija stotine milijuna puta većih nego što je to moguće u zemaljskim akceleratorima. Vrlo slabašni efekti kvantne gravitacije mogli bi utjecati na čestice vrlo visokih energija iz svemira, kao što su gama-zrake energija teraelektronvolta (TeV, tisuću milijardi tj. bilijun puta veće energije od vidljive svjetlosti). Tijekom milijardi godina, koliko gama-zrakama treba da dođu do Zemlje, ti mali efekti bi se akumulirali dovoljno da ih izmjerimo.
U studiji upravo objavljenoj u prestižnom znanstvenom časopisu Physical Review Letters, kolaboracija MAGIC predstavila je istraživanje kvantne strukture prostor-vremena, provedeno na osnovu opažanja snažne kozmičke eksplozije u obliku provale gama-zračenja (eng. Gamma-ray burst, GRB). Ovi događaji emitiraju brzo promjenjive signale na izrazito visokim energijama. Očekuje se da efekti kvantne gravitacije jače utječu na fotone viših energija te da su ti fotoni osjetljiviji na kvantnu narav prostor-vremena, a mnoštvo ih putuje milijardama godina do Zemlje. Sve to čini GRB-ove izvrsnim laboratorijima za istraživanje kvantne gravitacije.
Detektori gama-zraka na satelitima, koji promatraju velike dijelove neba, svakodnevno detektiraju provale gama-zračenja, ali na znatno nižim energijama u odnosu na teleskope MAGIC. U noći 14. siječnja 2019., teleskopi MAGIC otkrili su GRB na energijama TeV. Time su zabilježeni fotoni daleko najviših energija iz ovih izvora. Mnoge analize su provedene kako bi se istražila priroda ovog objekta oznake GRB 190114C i zračenja koje je emitirao.
Tomislav Terzić, istraživač s Odjela za fiziku Sveučilišta u Rijeci i vodeći autor upravo objavljene studije, ističe: “Nikada do sada nije provedeno ispitivanje LIV-a na podacima iz GRB-a na ovako visokim energijama. Jednostavno nije bilo podataka do sada. Više od dvadeset godina očekivalo se da bi ovakvo opažanje moglo povećati osjetljivost mjerenja LIV-a, ali nismo mogli znati koliko dok nismo vidjeli rezultate naše analize. Bilo je vrlo uzbudljivo analizirati ove podatke.”
Očekivano, istraživači u MAGIC-u iskoristili su ovo jedinstveno opažanje za potragu za efektima kvantne gravitacije. Međutim, već na samom početku naišli su na prepreku: signal koji su snimili teleskopi MAGIC monotono trne u vremenu. Iako je ovo bilo zanimljivo otkriće za znanstvenike koji istražuju prirodu GRB-a, to je vrlo loša vijest za ispitivanje LIV-a. Daniel Kerszberg, istraživač s Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) u Barceloni izjavio je: “Kada uspoređujete vrijeme dolaska dvije gama-zrake različitih energija, pretpostavljate da su istovremeno emitirane iz izvora. Međutim, naše poznavanje procesa u astronomskim objektima još nije dovoljno precizno da bismo točno mogli odrediti vrijeme emisije svakog pojedinog fotona.” Astrofizičari doskaču ovom nedostatku tako da se oslanjaju na karakteristične promjene sjaja kako bi ograničili vrijeme emisije. Vjerojatnost emisije je veća kada je sjaj jači i obrnuto. Ako se sjaj mijenja monotono, ta informacija izostaje. Zato su se istraživači poslužili teorijskim modelom koji opisuje očekivanu emisiju iz GRB-a. Ovaj model uključuje brzi porast sjaja, vršnu emisiju i monotono trnjenje signala opaženo MAGIC-om, što je znanstvenicima pružilo priliku da testiraju LIV.
Pažljivom analizom utvrđeno je kako nema energijski ovisnih kašnjenja gama-zraka. Einsteinove teorije i dalje besprijekorno funkcioniraju. “To ipak ne znači da smo ostali praznih ruku”, rekao je Giacomo D’Amico, istraživač s Max Planck Institute for Physics u Minhenu. “Uspjeli smo postaviti čvrsta ograničenja na energiju na kojoj se javljaju efekti kvantne gravitacije.” Donje granice na energiju kvantne gravitacije postavljene u ovoj studiji usporedive su s najstrožim ograničenjima postavljenima koristeći opažanja GRB-ova pomoću satelita, odnosno opažanja aktivnih galaktičkih jezgri pomoću zemaljskih teleskopa.
Cedric Perennes, postdoktorand na Sveučilištu u Padovi rekao je: “Bili smo vrlo sretni i osjećali se privilegirani što smo bili u mogućnosti provesti prvo testiranje narušenja Lorentzove simetrije na podacima iz GRB-a u području TeV-skih energija. Odškrinuli smo vrata za buduća istraživanja.”
Za razliku od dosadašnjih radova, ovo je prvo testiranje LIV-a provedeno na signalu iz GRB-a na energijama u području TeV. Ovim seminalnim istraživanjem, MAGIC je postavio temelje za buduća istraživanja i još preciznije testove Einsteinovih teorija. Oscar Blanch, glasnogovornik kolaboracije MAGIC zaključio je: “Ovaj put opazili smo relativno blisku GRB. Nadamo se da ćemo uskoro uloviti sjajnije i udaljenije provale gama-zračenja, što će omogućiti još osjetljivija mjerenja.”
