Einstein’ın görecelik teorisinin sınırlarını zorlamak için, şimdiye kadar gözlemlenen en güçlü gama ışını patlaması kullanılarak Lorentz değişmezliği test edildi.
Lorentz Değişmezliği ve Görecelik Teorisi
Einstein’ın görelilik teorisinin temelini iki varsayım ya da önerme oluşturur. Birincisi, ivmelenmeden düz bir yolda hareket ederken, herkesin aynı fizik kurallarını deneyimlediğidir. “Eylemsiz referans çerçevesi” kavramı – bir kasap, fırıncı veya şamdancı tarafından bir boşlukta düz bir çizgide, birbirlerine göre, muhtemelen farklı hızlarda hareket ederken kullanılan koordinatlar – ilk olarak 1800’lerin sonlarında bu fikri ortaya atan Hollandalı fizikçi Hendrik Lorentz tarafından ortaya atılmıştır. Bu varsayımsal eşitliği “Lorentz değişmezliği” olarak adlandırıyoruz.
İkinci varsayım, eylemsiz bir referans çerçevesinde ışık hızını ölçen herkesin bunu aynı şekilde ölçeceğidir. Işık, boşlukta seyahat ederken kişinin yönü ya da hızı ne olursa olsun “c” hızında ya da saniyede 300.000 kilometreden biraz daha az bir hızla yaklaşıyormuş gibi algılanacaktır. Fırıncının kasaba göre yüzde 0,99999’luk göreli hızına rağmen, her ikisi de ışığın “c” hızında hareket ettiğini görür.
O zamandan beri fizikçiler Lorentz değişmezliğini test etmeye hevesliler. Bugüne kadar yapılan her deneyde bu kural geçerli olmuştur. Çin şimdiye kadar bilinen en güçlü gama ışını patlamasını gözlemledi ve farklı frekanslarına rağmen aynı anda salınan fotonların gözlemevlerine aynı anda ulaştığını keşfetti. Bu çalışma, kuantum kütleçekiminin ortaya çıktığı alt enerji limitinde beş kat artışa neden oldu.
Bazı kuantum yerçekimi modelleri vakumun yüksek enerjili fotonlara boş değil de boş olmayan bir ortam olarak görüneceğini öngördüğünden Lorentz değişmezliğine olan ilgi artmıştır. Bu öngörü bir kuantum yerçekimi teorisinde gerçekleştiğinde, Planck ölçeğine veya kabaca 1019 milyar elektron-volta yakın bir yerde gerçekleşir ve burada uzayzamanın kendisinin kuantum mekaniğine uygun olarak ele alınması gerekir.
Fizik ilkeleri çeşitli eylemsiz referans çerçeveleri için bu kadar yüksek enerjide değişmeye başlar mı, yoksa Lorentz değişmezliği hala geçerli midir?
Bunu doğrulamak için Çin’in Large High Altitude Air Shower Gözlemevi’ndeki (LHAASO) bir grup bilim insanı, bilinen en güçlü gama ışını patlaması olan 221009A’nın kalıntılarını inceledi. Bu gama ışını patlaması 2022 yılında bulundu ve 10 saniyeden biraz fazla sürdü. Bulunduktan sonra 10 saat boyunca tespit edilebildi ve 2,4 milyar ışık yılı uzaklıktaki uzak bir galakside yer aldı; bu da son derece güçlü gama ışınlarının Dünya’ya ulaşmasının 2,4 milyar yıl sürdüğü anlamına geliyor.
Eğer farklı frekanslardan gelen ışık Dünya’ya farklı zamanlarda ulaşsaydı, yani oradan buraya uzun vakum boyunca farklı hızlarda seyahat etseydi, Lorentz değişmezliği ihlal edilmiş olurdu. “Foton dağılımı” olarak bilinen bu olgu, ışık cam veya su gibi maddelerden geçerken gözlemlenir, ancak daha önce boşlukta hiç gözlemlenmemiştir.
Çin’in Sichuan kentinde deniz seviyesinden 4.410 metre yükseklikteki gözlemevinde 9 Ekim 2022’de tespit edilen gama ışını patlaması, araştırma ekibinin yararlandığı verileri sundu. İlk düşük enerjili fotonlar yörüngedeki gama ışını gözlemevlerini tetikledi ve LHAASO patlamanın yüksek enerjili fotonu “afterglow” ölçmek için uygun yöne işaret ediyordu.
Su Cherenkov Dedektör Dizisi, 221009A’nın tetiklenmesinden sonraki 100 dakika içinde 7 trilyon elektron-volta kadar enerjiye sahip yaklaşık 64.000 foton ölçtü. Tahminlere göre, gama ışını patlaması kısa varoluşunda Samanyolu galaksisinin 500 milyon yılda açığa çıkardığı kadar enerji açığa çıkarıyor.
Gama ışını patlamasının ardından yaklaşık dört dakika sonra yoğunluğu zirveye ulaştı. Ekip, Lorentz değişmezliğinde bir kırılmaya dair işaretler aramak için iki teknik kullandı: ilk olarak, her biri TeV ölçeğinde fotonlar içeren on gama ışını enerji bandı arasındaki zaman gecikmelerini ölçtüler; ikinci olarak, verilerden enerjiye bağlı varış-zaman gecikmelerini çıkardılar.
Gamma Işını Patlamasıyla Yapılan Testlerin Sonuçları
İnceleme boyunca istatistiksel olarak önemli Lorentz değişmezliği ihlalleri, yani gama ışını patlaması fotonlarının çeşitli frekanslarda kayda değer zaman gecikmelerine uğramadığı tespit edilmiştir. (Frekans ve enerji Planck bağıntısına göre orantılıdır).
Kuantum yerçekimi etkilerinin bu foton dağılım eksikliğinden kaynaklanabileceği enerji için iki alt sınır türetmişlerdir: biri önceki gama ışını patlaması gözlemlerinden elde edilen önceki alt sınırla eşleşmekte, diğeri ise ışıktan daha yavaş bir hızda hareket eden eylemsiz referans çerçeveleri için önceki alt sınırı beş kat arttırmaktadır.
Araştırmacıların vardığı sonuç şudur: “Gama ışını patlamasından gelen afterglow yerine çok yüksek enerjili ani yayılımların gelecekteki gözlemleri, uçuş zamanı testlerini kullanarak Lorentz değişmezliğine olan duyarlılığı daha da artıracaktır.” Gelecekteki bir gama ışını patlamasının ilk aşaması benzer bir şekilde araştırılırsa, bu sınırlamalar çok daha fazla artabilir.
Daha fazla bilgi için makalenin kaynağı: Zhen Cao et al, Stringent Tests of Lorentz Invariance Violation from LHAASO Observations of GRB 221009A, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.071501. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2402.06009
Haberin kaynağı: phys.org/news/2024-08-gamma-ray-violations-einstein-postulates.html
Haberi Derleyen: Fatma Nida Ocak – Üsküdar Üniversitesi Adli Bilimler Yüksek Lisans
