L’impressione artistica di un Gamma Ray Burst osservato dal sistema di telescopi MAGIC e dagli osservatori satellitari.
Nel 2019 i telescopi MAGIC hanno rilevato il primo Gamma Ray Burst ad energie molto elevate. Si trattava della più intensa radiazione gamma mai ottenuta da un oggetto cosmico di questo tipo. Ma i dati del GRB hanno molto di più da offrire: con ulteriori analisi, gli scienziati di MAGIC hanno potuto ora confermare che la velocità della luce è costante nel vuoto – e non dipende dall’energia. Così, come molti altri test, anche i dati GRB corroborano la teoria della Relatività Generale di Einstein.
Lo studio è stato pubblicato su Physical Review Letters.
La relatività generale di Einstein (GR) è una bella teoria che spiega come la massa e l’energia interagiscono con lo spazio-tempo, creando un fenomeno comunemente noto come gravità. GR è stata testata e ritestata in varie situazioni fisiche e su molte scale diverse e, postulando che la velocità della luce è costante, si è sempre rivelata in grado di prevedere in modo eccezionale i risultati sperimentali. Tuttavia, i fisici sospettano che la GR non sia la teoria più fondamentale, e che potrebbe esistere una descrizione meccanica quantistica della gravità, chiamata gravità quantistica (QG). Alcune teorie QG considerano che la velocità della luce potrebbe essere dipendente dall’energia. Questo ipotetico fenomeno è chiamato violazione dell’invarianza di Lorentz (LIV). I suoi effetti sono ritenuti troppo piccoli per essere misurati, a meno che non siano accumulati in un tempo molto lungo.
Come si può ottenere questo? Una soluzione è l’utilizzo di segnali provenienti da fonti astronomiche di raggi gamma. Le esplosioni di raggi gamma (GRB) sono esplosioni cosmiche potenti e lontane, che emettono segnali altamente variabili ed estremamente energetici. Sono quindi ottimi laboratori per prove sperimentali di QG. Ci si aspetta che i fotoni ad alta energia siano più influenzati dagli effetti dei QG, e dovrebbero essercene moltissimi; questi viaggiano miliardi di anni prima di raggiungere la Terra, il che aumenta l’effetto.
I GRB vengono rilevati quotidianamente con i rilevatori satellitari, che osservano ampie porzioni di cielo, ma a energie inferiori rispetto ai telescopi terrestri come il MAGIC. Il 14 gennaio 2019 il sistema di telescopi MAGIC ha rilevato il primo GRB nel dominio delle energie teraelettronvolt (TeV, 1000 miliardi di volte più energetico della luce visibile), registrando così i fotoni di gran lunga più energetici mai osservati da un tale oggetto. Sono state effettuate diverse analisi per studiare la natura di questo oggetto e la radiazione ad altissima energia.
Tomislav Terzi, un ricercatore dell’Università di Fiume, afferma: “Non è mai stato effettuato alcuno studio LIV sui dati GRB nella gamma di energia TeV, semplicemente perché finora non esistevano dati di questo tipo. Per oltre vent’anni abbiamo previsto che tale osservazione avrebbe potuto aumentare la sensibilità agli effetti del LIV, ma non siamo riusciti a capire di quanto fino a quando non abbiamo visto i risultati finali della nostra analisi. È stato un periodo molto emozionante”.
Il sistema di telescopi MAGIC presso l’osservatorio di Roque de los Muchachos, La Palma, isole canarie, Spagna.
Naturalmente, gli scienziati di MAGIC volevano usare questa osservazione unica per cercare gli effetti del QG. All’inizio, però, si trovarono di fronte ad un ostacolo: il segnale registrato con i telescopi MAGIC decadde monotonicamente con il tempo. Anche se questa è stata una scoperta interessante per gli astrofisici che studiano le GRB, non è stata favorevole per i test LIV. Daniel Kerszberg, un ricercatore dell’IFAE di Barcellona ha detto: “quando si confrontano i tempi di arrivo di due raggi gamma di energie diverse, si suppone che siano stati emessi istantaneamente dalla sorgente. Tuttavia, la nostra conoscenza dei processi negli oggetti astronomici non è ancora abbastanza precisa per individuare il tempo di emissione di un determinato fotone”. Tradizionalmente gli astrofisici si basano su variazioni riconoscibili del segnale per limitare il tempo di emissione dei fotoni. Un segnale che cambia monotonicamente manca di queste caratteristiche. Così, i ricercatori hanno utilizzato un modello teorico, che descrive l’emissione di raggi gamma prevista prima che i telescopi MAGIC iniziassero ad osservare. Il modello include un rapido aumento del flusso, l’emissione di picco e un decadimento monotonico come quello osservato da MAGIC. Questo ha fornito agli scienziati un’impugnatura per la caccia al LIV.
Un’attenta analisi ha poi rivelato che non c’è nessun ritardo temporale dipendente dall’energia nei tempi di arrivo dei raggi gamma. Einstein sembra ancora mantenere la barra dritta.
“Questo però non significa che il team di MAGIC sia stato lasciato a mani vuote”, ha detto Giacomo D’Amico, ricercatore del Max Planck Institute for Physics di Monaco di Baviera; “siamo stati in grado di fissare forti vincoli sulla scala energetica dei QG”. I limiti stabiliti in questo studio sono paragonabili ai migliori limiti disponibili ottenuti utilizzando le osservazioni GRB con rilevatori satellitari o utilizzando le osservazioni a terra dei nuclei galattici attivi.
Cedric Perennes, ricercatore post-dottorato dell’Università di Padova ha aggiunto: “Siamo stati tutti molto felici e ci sentiamo privilegiati di essere nella posizione di poter eseguire il primo studio sulla violazione dell’invarianza di Lorentz in assoluto sui dati GRB nella gamma energetica TeV, e di aprire la porta a studi futuri!
A differenza dei lavori precedenti, questo è stato il primo test di questo tipo mai eseguito su un segnale GRB ad energie TeV. Con questo studio fondamentale, il team di MAGIC ha così posto le basi per la ricerca futura e per test ancora più severi della teoria di Einstein nel 21° secolo.
Oscar Blanch, portavoce della collaborazione MAGIC, ha concluso: “Questa volta abbiamo osservato un GRB relativamente vicino. Speriamo di cogliere presto eventi più luminosi e lontani, che consentirebbero di effettuare test ancora più sensibili”.
Per approfondire:”Bounds on Lorentz Invariance Violation from MAGIC Observation of GRB 190114C”.
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