Los telescopios MAGIC ponen a prueba la estructura cuántica del espacio-tiempo

La detección de un estallido de rayos gamma por los telescopios MAGIC, en el Observatorio del Roque de los Muchachos, permite estudiar si la velocidad de la luz en el vacío es una constante de la naturaleza. Los resultados, publicados en la revista Physical Review Letters, indican que no existen diferencias significativas en los tiempos de llegada de fotones de distintas energías, lo que pone límite a algunas teorías cuánticas de la gravedad.

La teoría de la Relatividad de Einstein postula que la velocidad de la luz en el vacío es una constante independiente de la energía de los fotones (partículas de luz). En un estudio publicado en la revista Physical Review Letters, un equipo internacional de investigadores ha tratado de poner a prueba este postulado utilizando observaciones de un estallido de rayos gamma detectado en enero de 2019 por los dos telescopios MAGIC del Observatorio del Roque de los Muchachos.

El intento no carece de fundamento: la teoría de Einstein describe la gravedad como resultado de la interacción de la masa con el espacio-tiempo y sus predicciones han sido verificadas en numerosos experimentos. Pese a ello, los físicos sospechan que existe una teoría más fundamental aún desconocida. Algunas de las teorías cuánticas de la gravedad que han sido propuestas incluyen la posibilidad de que la velocidad a la que viajan los fotones en el vacío dependa de su energía. Este fenómeno hipotético recibe el nombre de violación de la invariancia de Lorentz (LIV, por sus siglas en inglés). Se cree que, de existir, esta diferencia de velocidad sería demasiado pequeña para ser medida, a menos que su efecto se acumule durante largos periodos de tiempo o, equivalentemente, tras recorrer grandes distancias.

Las explosiones más violentas del Universo

Los GRBs son breves fogonazos de fotones de muy alta energía (o rayos gamma) emitidos por lejanas explosiones cósmicas. Los fotones producidos por los GRBs viajan durante miles de millones de años antes de llegar a la Tierra, lo que podría hacer medible el efecto de las hipotéticas diferencias en su velocidad. Además, las teorías de gravedad cuántica predicen que esta diferencia sería mayor cuanto mayor sea la energía de los fotones. Por ello se espera que los telescopios de rayos gamma de muy alta energía, tales como los MAGIC, sean especialmente competitivos en la búsqueda de efectos de LIV.

El 14 de enero de 2019, tras recibir una alerta del detector de GRBs del satélite Swift, MAGIC culminó una búsqueda que ha durado más de 15 años, con la primera detección de un GRB en la banda de rayos gamma de muy alta energía (o banda TeV). El llamado GRB190114C pudo ser detectado gracias a que MAGIC comenzó su observación tan solo 50 segundos después de que se produjera.

Los científicos utilizaron esta observación única hasta la fecha para buscar efectos de gravedad cuántica. Como explica Daniel Kerszberg, científico postdoctoral del IFAE en Barcelona y uno de los autores principales del estudio: “Para saber si los rayos gamma que fueron emitidos simultáneamente por el GRB viajan a distintas velocidades, tendríamos que ser capaces de comparar sus tiempos de llegada.” En este estudio, los investigadores utilizaron modelos teóricos para describir la evolución temporal de la emisión en el intervalo entre el comienzo del GRB y las observaciones con MAGIC. “Para buscar señales de LIV en nuestros datos utilizamos dos formas diferentes de modelizar su evolución temporal –añade Kerszberg–; queríamos estar seguros de no cometer errores al extraer conclusiones de esta señal excepcional, la primera de un GRB en la banda de rayos gamma de muy alta energía”.

Límites a las teorías cuánticas de la gravedad

Este cuidadoso análisis de los datos no encontró ninguna diferencia significativa en la velocidad de los rayos gamma de diferente energía, lo que pone límites a las posibles teorías de gravedad cuántica. Javier Rico, investigador del IFAE en Barcelona, y coordinador de Análisis y Publicaciones de la Colaboración MAGIC, comenta: “El GRB190114C ocurrió cuando la Tierra estaba todavía formándose, hace 4500 millones de años. Desde entonces, los rayos gamma que emitió han estado viajando por el Universo hasta que, hace poco más de un año, detectamos cientos de ellos con los telescopios MAGIC”. Y añade: “Analizándolos pudimos determinar que el tiempo que emplearon los diferentes fotones en el viaje difirió como máximo en aproximadamente un minuto, lo cual no es una diferencia de tiempo lo suficientemente significativa como para concluir que existe una clara señal LIV.”

“Los límites a la gravedad cuántica que se han obtenido en este trabajo son competitivos con los ya existentes hasta la fecha, y son los primeros que se obtienen mediante la observación de la emisión de mayor energía que se produce en un GRB”, explica Alicia López Oramas, investigadora del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) de la Colaboración MAGIC. Para Marc Ribó, profesor agregado de la Universitat de Barcelona y coordinador adjunto de Física de la Colaboración MAGIC, la detección y el estudio detallado del GRB190114 “inaugura una nueva fase en la búsqueda de efectos de LIV en observaciones de fuentes cósmicas de rayos gamma”.

Con este estudio pionero, el equipo MAGIC ha establecido un punto de partida para futuras investigaciones en la búsqueda de efectos medibles de la naturaleza cuántica del espacio-tiempo. Según Oscar Blanch, investigador del IFAE y portavoz de la Colaboración MAGIC: “Confiamos en que futuras detecciones de GRBs en la banda TeV incluirán la emisión temprana, anterior al decrecimiento monótono, que se espera sea rica en estructura temporal, lo que aumentará nuestra sensibilidad a efectos LIV de forma significativa”.

La comunidad española participa en MAGIC desde sus inicios. Actualmente son miembros de MAGIC el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (UB) y la Universidad Complutense de Madrid (UCM). El IEEC participa en este proyecto a través de investigadores de las unidades ICCUB y CERES-UAB Además, el centro de datos de MAGIC es el Port d’Informació Científica (PIC), una colaboración del IFAE y el CIEMAT.