Fue el “más brillante de todos los tiempos”: el 9 de octubre de 2022, un estallido de rayos gamma llegó a la Tierra; Más de 64.000 fotones con una energía no medida hasta ahora de hasta 18 teraelectronvoltios cayeron sobre los telescopios durante minutos. «Un evento que ocurre una vez cada 10.000 años», dijeron los expertos. Y ahora los investigadores del Observatorio Chino de Duchas de Aire a Gran Altitud han utilizado los datos registrados para buscar desviaciones de la teoría de la relatividad de Albert Einstein, pero sin éxito. Pero los resultados permiten definir mejor las teorías de la gravedad cuántica, según informa el grupo de investigación en una publicación publicada en «Physical Review Letters».
Hace unos dos mil millones de años murió una estrella alejada de la Tierra. Había agotado su combustible y ya no pudo soportar la enorme presión de su propia masa: colapsó y se convirtió en un agujero negro. A medida que el gigante galáctico devoraba la materia circundante, aceleraba las partículas a casi la velocidad de la luz, provocando que emitieran rayos X y rayos gamma de energía extremadamente alta. Este estallido de rayos gamma se detectó en la Tierra en 2022. Los fotones de alta energía habían recorrido un largo camino; Han estado viajando por el espacio durante unos 1.900 millones de años. Por lo tanto, pueden proporcionar información sobre la estructura de nuestro espacio-tiempo: incluso pequeñas perturbaciones podrían provocar efectos perceptibles a esta distancia.
© NASA/Swift/A. Beardmore (Universidad de Leicester) (detalle)
Explosión gamma | El telescopio de rayos X Swift capturó el resplandor de GRB 221009A aproximadamente una hora después de su descubrimiento. Los anillos brillantes son causados por rayos X dispersos por capas de polvo que de otro modo serían inobservables en nuestra galaxia.
Estos obstáculos en el espacio-tiempo predicen muchas aproximaciones a la gravedad cuántica. Se trata de teorías que intentan conciliar la relatividad general con la física cuántica; son candidatos a una fórmula global largamente esperada. Hay muchos enfoques diferentes al respecto: los teóricos de cuerdas, por ejemplo, introducen cuerdas diminutas y membranas extrañas que oscilan en una escala más pequeña y generan así todas las fuerzas y partículas elementales conocidas. Otros modelos suponen que el espacio y el tiempo ya no son continuos en el nivel más pequeño, sino más bien fragmentados, de forma similar a cómo la materia conectada en realidad está formada por átomos individuales. Aunque las descripciones difieren mucho, tienen una cosa en común: las leyes de la relatividad general y especial, que hasta ahora han descrito tan bien nuestro universo, ya no siempre son válidas.
No todo es relativo
Al contrario de lo que sugiere el nombre, uno de los mayores logros de la relatividad especial es una constante: la velocidad de la luz. Independientemente de si te acercas o te alejas de una fuente de luz, la velocidad de la luz en el vacío es siempre la misma. Sin embargo, si se mueve a través de un medio, como una fibra óptica, puede disminuir su velocidad. Además, la velocidad de los fotones en este caso depende de su energía; Las longitudes de onda rojas se mueven más rápido en los medios que las longitudes de onda azules. Sin embargo, en el vacío todos los fotones, independientemente de su energía, deberían tener la misma velocidad: exactamente 299.792.458 metros por segundo; al menos esta es la teoría confirmada por todos los experimentos hasta ahora.
Sin embargo, algunas teorías de la gravedad cuántica predicen lo contrario. Por ejemplo, si el espacio-tiempo no es continuo, esto podría afectar a fotones con energías extremadamente altas. Las membranas de la teoría de cuerdas también podrían ralentizar las partículas luminosas de alta energía. En estos casos, incluso en el vacío, la luz se comportaría como si se moviera a través de un medio, y la velocidad de los fotones variaría en función de la energía.
«Una gran distancia puede amplificar pequeños efectos a niveles mensurables»Ping He, Bo-Qiang Ma, físicos
Sin embargo, para demostrar tales efectos es necesario penetrar rangos de energía que están más allá de las capacidades de los laboratorios actuales. Sin embargo, varios grupos de especialistas ya han reconocido en el pasado que la radiación cósmica de alta energía, especialmente la proveniente de explosiones de rayos gamma, podría al menos proporcionar pruebas de desviaciones de las teorías de Einstein. “Una gran distancia puede amplificar pequeños efectos a un nivel mensurable”, escribieron el físico Ping He y su colega Bo-Qiang Ma de la Universidad de Pekín en un artículo publicado en 2022.
El estallido de rayos gamma más brillante de todos los tiempos registrado en 2022 (GBR 221009A) parecía especialmente adecuado para este propósito. Para ello, el equipo de investigación del Large High Altitude Air Shower Observatory examinó los datos registrados. Examinaron cómo cambiaba el espectro de energía de los fotones con el tiempo y buscaron desviaciones de las teorías de la relatividad de Einstein, sin éxito. Las grabaciones eran consistentes con la teoría clásica de la gravedad. Sin embargo, esto no elimina las teorías de la gravedad cuántica, pero pueden definirse mejor. Los resultados de los investigadores les permiten determinar con cinco a siete veces más precisión un umbral a partir del cual las energías pueden conducir a desviaciones de la teoría de la relatividad.
