in 2019, de MAGIC-telescopen detecteerden de eerste Gamma Ray Burst bij zeer hoge energieën. Dit was de meest intense gammastraling die ooit van een dergelijk kosmisch object is verkregen. Maar de GRB-gegevens hebben meer te bieden:met verdere analyses, de MAGIC-wetenschappers konden nu bevestigen dat de lichtsnelheid constant is in vacuüm - en niet afhankelijk van energie. Dus, zoals vele andere testen, GRB-gegevens bevestigen ook Einsteins algemene relativiteitstheorie. Het onderzoek is nu gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Einstein's algemene relativiteitstheorie (GR) is een prachtige theorie die uitlegt hoe massa en energie interageren met ruimte-tijd, het creëren van een fenomeen dat algemeen bekend staat als zwaartekracht. GR is getest en opnieuw getest in verschillende fysieke situaties en op veel verschillende schalen, en, postuleren dat de lichtsnelheid constant is, het bleek altijd de experimentele resultaten uitstekend te voorspellen. Hoe dan ook, natuurkundigen vermoeden dat GR niet de meest fundamentele theorie is, en dat er een onderliggende kwantummechanische beschrijving van zwaartekracht zou kunnen bestaan, kwantumzwaartekracht (QG) genoemd.

Sommige QG-theorieën zijn van mening dat de lichtsnelheid afhankelijk kan zijn van energie. Dit hypothetische fenomeen wordt Lorentz-invariantieschending (LIV) genoemd. Men denkt dat de effecten te klein zijn om te meten, tenzij ze zich gedurende een zeer lange tijd hebben opgehoopt. Dus hoe dat te bereiken? Een oplossing is het gebruik van signalen van astronomische bronnen van gammastraling. Gammastraaluitbarstingen (GRB's) zijn krachtige en verre kosmische explosies, die zeer variabel uitzenden, extreem energetische signalen. Het zijn dus uitstekende laboratoria voor experimentele tests van QG. De hogere energiefotonen zullen naar verwachting meer worden beïnvloed door de QG-effecten, en dat zouden er genoeg moeten zijn; deze reizen miljarden jaren voordat ze de aarde bereiken, wat het effect versterkt.

GRB's worden dagelijks gedetecteerd met satellietdetectoren, die grote delen van de hemel observeren, maar bij lagere energieën dan de telescopen op de grond zoals MAGIC. Op 14 januari, 2019, het MAGIC-telescoopsysteem detecteerde de eerste GRB in het domein van teraelectronvolt-energieën (TeV, 1000 miljard keer energieker dan het zichtbare licht), vandaar het opnemen van verreweg de meest energetische fotonen die ooit van zo'n object zijn waargenomen. Er zijn meerdere analyses uitgevoerd om de aard van dit object en de zeer energierijke straling te bestuderen.

Tomislav Terzic, een onderzoeker van de Universiteit van Rijeka, zegt:"Er is nooit een LIV-studie uitgevoerd op GRB-gegevens in het TeV-energiebereik, simpelweg omdat dergelijke gegevens tot nu toe niet voorhanden waren. Al meer dan twintig jaar verwachtten we dat dergelijke observatie de gevoeligheid voor de LIV-effecten zou kunnen vergroten, maar we konden niet zeggen hoeveel totdat we de definitieve resultaten van onze analyse zagen. Het was een heel spannende periode."

Van nature, de MAGIC-wetenschappers wilden deze unieke waarneming gebruiken om te jagen op effecten van QG. Aan het begin, ze stonden echter voor een obstakel:het signaal dat met de MAGIC-telescopen werd opgenomen, verviel in de loop van de tijd monotoon. Hoewel dit een interessante bevinding was voor astrofysici die GRB's bestudeerden, het was niet gunstig voor LIV-testen. Daniël Kersberg, een onderzoeker bij IFAE in Barcelona zei:"bij het vergelijken van de aankomsttijden van twee gammastralen met verschillende energieën, men neemt aan dat ze onmiddellijk door de bron werden uitgestoten. Echter, onze kennis van processen in astronomische objecten is nog steeds niet precies genoeg om de emissietijd van een bepaald foton te bepalen."

Traditioneel vertrouwen de astrofysici op herkenbare variaties van het signaal om de emissietijd van fotonen te beperken. Een monotoon veranderend signaal mist die eigenschappen. Dus, de onderzoekers gebruikten een theoretisch model, die de verwachte gammastraling beschrijft voordat de MAGIC-telescopen begonnen te observeren. Het model omvat een snelle stijging van de flux, de piekemissie en een monotoon verval zoals waargenomen door MAGIC. Dit gaf de wetenschappers een handvat om daadwerkelijk op LIV te jagen.

Een zorgvuldige analyse onthulde vervolgens geen energieafhankelijke tijdsvertraging in aankomsttijden van gammastralen. Einstein lijkt nog steeds de lijn vast te houden. "Dit betekent echter niet dat het MAGIC-team met lege handen stond, " zei Giacomo D'Amico, een onderzoeker aan het Max Planck Instituut voor Natuurkunde in München; "we waren in staat om sterke beperkingen op te leggen aan de QG-energieschaal." De in dit onderzoek vastgestelde limieten zijn vergelijkbaar met de best beschikbare limieten die zijn verkregen met GRB-waarnemingen met satellietdetectoren of met grondobservaties van actieve galactische kernen.

Cedric Perennes, postdoctoraal onderzoeker aan de universiteit van Padova voegde toe, "We waren allemaal erg blij en voelen ons bevoorrecht om in de positie te zijn om de eerste studie uit te voeren naar Lorentz-invariantieschending ooit op GRB-gegevens in het TeV-energiebereik, en om de deur open te breken voor toekomstige studies!"

In tegenstelling tot eerdere werken, dit was de eerste dergelijke test ooit uitgevoerd op een GRB-signaal bij TeV-energieën. Met deze baanbrekende studie het MAGIC-team zette zo voet aan de grond voor toekomstig onderzoek en nog strengere tests van Einsteins theorie in de 21e eeuw. Oscar Blanch, woordvoerder van de MAGIC-samenwerking, concludeerde:"Deze keer we hebben een relatief nabijgelegen GRB waargenomen. We hopen snel helderdere en verder weg gelegen gebeurtenissen te zien, wat nog gevoeligere tests mogelijk zou maken."