Вспышка с края Вселенной не подтверждает нарушения теории относительности

46 лет назад, 5 августа 1963 года, СССР, США и Великобритания подписали в Москве договор о запрете ядерных испытаний в воздухе, воде и космосе. А всего три дня спустя США запустили в космос первую пару спутников Vela. Такой короткий промежуток, конечно, совпадение, создать спутник за несколько дней невозможно. Однако совпадение многозначительное: задачей спутников Vela было следить за ядерными испытаниями. Проще говоря, они контролировали выполнение соглашения Советским Союзом (Франция к договору так и не присоединилась).

Нарушители из космоса

Спутники работали в парах, детектируя жесткие фотоны и нейтроны. Напрямую определить, откуда эти фотоны пришли, возможности тогда не было, поэтому положение их источника (гипотетического ядерного взрыва) система определяла методом триангуляции -- по взаимным запаздываниям прихода сигнала на спутники, кружащиеся на очень высоких, до 100 тысяч километров, орбитах.

Советский Союз твердо выполнял взятые обязательства, но в июне 1967 года спутники все-таки зафиксировали мощный всплеск гамма-излучения -- ровно такой, какой они надеялись найти. Тем не менее никто не стал винить в этом Москву, Париж или Пекин, который к тому моменту также обзавелся ядерной бомбой. Дело в том, что источник этого излучения находился где-то в глубоком космосе.

Кто знает, поймем ли мы когда-нибудь, какие мысли по этому поводу носились в головах американских военных и не думали ли они всерьез, что с ядерной энергией играются инопланетяне. Однако потребовалось долгих шесть лет, чтобы с этих данных сняли секретность, и о них впервые узнали астрономы. Космические всплески гамма-излучения так и прозвали -- гамма-всплески (англ. GRB -- Gamma-Ray Burst).

Короткие и длинные до горизонта

За прошедшие 40 с лишним лет ученые успели написать о них тысячи статей и предложить десятки гипотез, однако и сейчас астрономы до конца не понимают гамма-всплески. Тем не менее в конце 1990-х годов, после 30 лет попыток, удалось найти так называемые послесвечения -- напарников гамма-вспышек в иных спектральных диапазонах, благодаря чему удалось измерить расстояния до источников этого излучения. Расстояния оказались гигантскими, и теперь большинство астрономов уверены, что гамма-всплески -- это грандиозные по своей энергетике события, некоторые из которых мы видим до самого горизонта Вселенной. В те несколько секунд, что продолжается всплеск, он светит так же ярко, как все звезды видимой Вселенной.

В наши дни гамма-всплески делят на две большие группы -- длинные (порядка 10 секунд и больше) и короткие (меньше 2 секунд); возможно, существует что-то промежуточное. По современным представлениям, длинные всплески -- это последствия коллапса массивной звезды, ядро которой превращается в черную дыру. Короткие гамма-всплески -- результат столкновения двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры.

Однако типичная энергетика всплесков того и другого вида похожа -- в обоих случаях в чистую энергию по эйнштейновской формуле E=mc² переходит заметная часть массы типичной звезды. Потому и видно гамма-всплески даже из самого раннего прошлого Вселенной (текущий рекорд – 630 млн лет после Большого взрыва), что относится как к коротким, так и к длинным событиям. Тем не менее для некоторых исследований короткие всплески предпочтительнее.

Симметричные основы

Одна из таких задач -- проверка самой теории относительности. Одним из ее столпов является так называемая Лоренц-инвариантность -- неизменность предсказаний теории при применении к пространству и времени преобразований Лоренца. Именно из-за них в быстро движущихся системах отсчета замедляются часы, сокращается длина и увеличивается масса, а скорости складываются таким образом, что материальное тело до скорости света никогда не разгонится.

Вывел эти преобразования не Альберт Эйнштейн (иначе они б носили его имя), а голландец Хендрик Лоренц. Однако пока столпы физики начала XX века, вроде Анри Пуанкаре или того же Лоренца, пытались придумать, как бы заставить физические процессы уважать преобразования Лоренца в привычных пространстве и времени, молодой Эйнштейн провозгласил их истинными свойствами пространства-времени и тем дал им простой и понятный физический смысл -- а заодно и перевернул всю физику. За такое «жульничество», кстати, Пуанкаре не любил Эйнштейна до конца своих дней.

В квантовой физике Лоренц-инвариантность сыграла не менее важную роль, чем в теории относительности. Благодаря ней, к примеру, удалось объяснить внутренний угловой момент (спин) электрона и предсказать существование античастиц. Тем не менее история физики учит, что многие принципы, веками принимавшиеся за абсолют, со временем оказываются лишь приближением к истине. И во второй половине XX века ученые начали делать попытки представить, как будет выглядеть мир, если и Лоренц-инвариантность -- лишь приближенный принцип симметрии.

Свет увязнет в пене

Основания для пересмотра основных принципов есть. Например, лучшая на сегодня теория гравитации -- общая теория относительности Эйнштейна -- теория не квантовая, и все попытки проквантовать ее пока терпели фиаско. В то же время большинство ученых сходятся в том, что все фундаментальные теории должны иметь квантовую природу, и ради достижения этой цели не жалеют ничего -- даже симметрии к преобразованиям Лоренца.

Некоторые теории квантовой гравитации и вправду предсказывают слабые нарушения Лоренц-инвариантности. Вообще, предсказания эти весьма разнообразны ввиду отсутствия на данный момент экспериментальной проверки таких теорий. Тем не менее одно из возможных следствий нарушения лоренцовской симметрии -- отличие скорости движения высокоэнергичных фотонов в вакууме от скорости света -- той самой фундаментальной константы c, которая входит в преобразования Лоренца и играет важнейшую роль в физике.

Квантовые теории гравитации предсказывают, что на очень глубоком уровне пространство представляет собой не жесткую арену, как в физике Ньютона, и не податливый эластичный континуум, который по Эйнштейну могут искривлять массивные тела. С точки зрения квантовой гравитации, под очень большим увеличением пространство-время -- это своего рода «пена», которая бесконечно бурлит и меняется. Именно в этой пене, если угодно, и «вязнут» высокоэнергичные фотоны, чуть замедляя бег.

Однако это бурление проявляется лишь при очень высоких энергиях. Соответствующая шкала энергий так и называется -- шкала квантовой гравитации. Большинство ученых полагают, что эта шкала должна располагаться где-то в районе так называемой планковской энергии 10¹⁹ ГэВ. Именно при таких энергиях эффекты квантовой гравитации должны проявляться во всей красе, однако это значение недостижимо на земных ускорителях ни в каком обозримом будущем.

Замедление без ускорителя

Тем не менее эти предсказания можно проверить астрономическими наблюдениями, и гамма-всплески для этой цели очень хорошо подходят. Даже если отклонение скорости высокоэнергичных фотонов от константы c крохотное, за время путешествия с края Вселенной они могут заметно отстать от своих низкоэнергичных напарников. Понятно, что короткие гамма-всплески лучше подходят, чтобы заметить это небольшое отставание: у длинного гамма-всплеска трудно точно указать начало и конец.

Год назад даже показалось, что заметить задержку и вправду удалось. 16 сентября прошлого года Космический телескоп имени Ферми зафиксировал гамма-всплеск GRB080916C, который оказался самым мощным таким событием в истории наблюдений. Свет от этой вспышки шел к нам 12 с лишним миллиардов лет -- и высокоэнергичные кванты с энергией больше 1 ГэВ задержались на 10 с лишним секунд относительно низкоэнергичных.

Если интерпретировать эту задержку, как отставание, накопившееся за время путешествия по Вселенной, и если предположить, что скорость фотона зависит от энергии линейным образом, из задержки можно сходу оценить энергетические параметры квантовой гравитации. Фундаментальной шкалой этой теории оказалось значение около 10¹⁸ ГэВ -- всего на порядок меньше планковской энергии.

Проблема в двух упомянутых «если». Второе предположение, про линейную зависимость скорости от энергии, более или менее естественно и следует из многих вариантов квантовой теории гравитации (всегда можно сказать, что мы протестировали именно эти варианты).

А вот отождествлять задержку с отставанием в пути -- не так очевидно. Не исключено ведь, что высокоэнергичные фотоны в ходе развития гамма-всплеска просто рождаются позднее. Если бы задержка наблюдалась всегда и увеличивалась с ростом энергии фотонов и расстояния до гамма-всплеска -- это был бы недобрый знак для Лоренц-инвариантности, и то неуверенный. Зато единственного контрпримера достаточно, чтобы разрушить всю эту конструкцию.

Майский всплеск

Такого примера ученые дождались меньше, чем через год. 10 мая 2009 года в 4.23 по Москве тот же телескоп Fermi зарегистрировал вспышку гамма-излучения из созвездия Южной Рыбы. Через 3,5 дня спектральные наблюдения оптического послесвечения гамма-всплеска на Очень большом телескопе VLT показали, что на самом деле этот взрыв произошел 10 млрд лет назад, когда вся наша Вселенная была вдвое меньше, чем сейчас. Иными словами, у низкоэнергичных фотонов было 10 млрд световых лет разбега, чтобы продемонстрировать свое скоростное преимущество над высокоэнергичными «коллегами».

Тем не менее никакой заметной задержки ученые не увидели. Фотон с энергией в 31 ГэВ (кстати, самый энергичный квант, когда-либо приходивший от какого-нибудь гамма-всплеска) ударил по детектору Fermi через 0,8 секунды после начала вспышки. На долю секунды раньше туда же пришел и квант с энергией в 3,4 ГэВ. Этого достаточно, чтобы отнести фундаментальную шкалу квантовой гравитации на порядок, а то и два (зависит от того, насколько консервативно вы оцениваете «начало» гамма-всплеска) выше, чем планковская энергия.

Такие параметры ученым кажутся сомнительными. Гораздо проще предположить, что Лоренц-инвариантность не нарушается, или что зависимость скорости фотона от энергии описывается какой-то более сложной формулой, чем линейная. Установить, какой именно формулой из этих данных не представляется возможным. Но несколько вариантов теории квантовой гравитации, не уважающих Лоренц-инвариантность, уже пали.

Работа коллектива числом в две сотни авторов (коллаборации Fermi GBM/LAT) должна быть вскоре опубликована в одном из ведущих научных журналов (судя по оформлению -- в Science), а пока доступна в Архиве электронных препринтов Корнельского университета.

Любопытный коротышка

Короткий гамма-всплеск GRB090510 вообще оказался весьма примечательным. Ему, похоже, еще предстоит сыграть свою роль в уточнении, а возможно и пересмотре наших представлений о физике этих процессов. Например, это первый короткий всплеск, спектр которого не описывается стандартной функцией, а значит, механизм его излучения также наверняка отличается от принятого.

У GRB090510 также рекордное значение скорости выброшенного при таком взрыве вещества -- 99,99997% от скорости света (Γ-фактор не меньше 1250). Если бы скорость была меньше, фотон с энергией в 31ГэВ породил бы россыпь менее энергичных частиц еще в источнике и до нас бы не долетел. Кстати, такая скорость означает, что всплеск, уложившийся в секунду с точки зрения земного наблюдателя, на деле продолжался около месяца -- просто излучающая область двигалась на нас, и фотонам, испущенным раньше, пришлось пройти большее расстояние. От этого вспышка так «поджалась» с точки зрения землян.

Кроме того, этот спектр со временем становился все более жестким, и астрономы не исключают, что короткие гамма-всплески вроде GRB090510 могут оказаться важным источником фотонов сверхвысоких энергий. До сих пор таковыми считали лишь активные ядра галактик и длинные гамма-всплески. Ученые вообще удивлены сходством поведения длинных и коротких всплесков на самых высоких энергиях, несмотря на то что мы имеем дело, предположительно, с процессами совершенно разной физической природы (в одном случае мы имеем дело с коллапсом массивной звезды, а в другом -- со слиянием нейтронных звезд). Выводы здесь еще предстоит сделать.

Однако самый главный вывод нынешней публикации в том, что сенсация откладывается. Следов нарушения Лоренц-инвариантности пока нет, физики могут спать спокойно. Кроме тех, конечно, кто предложил опровергнутые теперь теории. Но они наверняка еще что-нибудь придумают.