Problem emisji neutrin z supernowej SN1987 wyjaśniony?

Wyniki najnowszych obliczeń przeprowadzonych przez Jamesa Fransona z Uniwersytetu w Maryland wskazują, że efekt grawitacji wirtualnych par elektron-pozyton podczas ich poruszania się w przestrzeni może prowadzić do naruszenia zasady równoważności Einsteina. Efekt ten jest zbyt słaby, aby udało się go zmierzyć bezpośrednio, ale byłby w stanie wyjaśnić zagadkowe anomalie obserwowane podczas wybuchu supernowej SN1987.

Współczesna mechanika kwantowa opisuje trzy z czterech znanych nam typów oddziaływań: słabe, silne i elektromagnetyczne. Najlepszy opis grawitacji stanowi ogólna teoria względności Einstaina. Pogodzenie teorii względności z mechaniką kwantową stanowi jedno z największych wyzwań współczesnej fizyki. Cały czas brak jest odpowiedzi na pytanie o oddziaływanie grawitacji na obiekty kwantowe takie jak fotony.

Obserwacje astronomiczne wykazały wielokrotnie, że światło jest przyciągane przez pole grawitacyjne. Tradycyjnie jest to opisane za pomocą ogólnej teorii względności: pole grawitacyjne zakrzywia czasoprzestrzeń, a światło jest spowalniane (i nieznacznie odchylane), gdy przechodzi przez obszar zakrzywiania.

W elektrodynamice kwantowej, poruszające się fotony mogą od czasu do czasu anihilować, tworząc wirtualne pary elektron-pozyton. Pary mogą również rekombinować „odtwarzając” fotony. Jeśli wirtualne pary w okresie swojego istnienia znajdują się w potencjale grawitacyjnym, będą odczuwać jego działanie. Jeśli nastąpi rekombinacja, powstaną fotony o energiach nieznacznie różnych niż energie początkowych fotonów. Nowe fotony będą też poruszały się wolniej.

James Franson zajmując się badaniem problemu, szukał odpowiedzi na pytanie dlaczego światło spowalnia przechodząc przez potencjał grawitacyjny. Policzył, jak spowalnia światło według teorii fizyki kwantowej i ogólnej teorii względności. Spodziewał sie, że uzyska takie same wyniki, jednak wynik obliczeń okazał się być niespodzianką – zmiany wartości prędkości światła do siebie nie pasowały.

Naukowiec oszacował, że traktując światło jako obiekt kwantowy, zmiana prędkości fotonu nie zależy od siły grawitacji, ale od samego potencjału grawitacyjnego. Prowadzi to jednak do naruszenia zasady równoważności Einsteina.

Ważnym przykładem jest foton i neutrino poruszające się równolegle w przestrzeni. Neutrino nie może zanihilować, tworząc parę elektron-pozyton, a więc foton, przechodząc przez pole grawitacyjne, będzie bardziej spowolniony niż neutrino. Potencjalnie umożliwia to poruszanie się neutrin z prędkością większą niż porusza się światło w tym obszarze przestrzeni. Jednak, gdy ten sam problem jest rozważany w innym układzie odniesienia, spadającym swobodnie w polu grawitacyjnym, ani foton, ani neutrino nie spowalniają. Foton nadal porusza się szybciej niż neutrino.

Chociaż idea, że prawa fizyki mogą być uzależnione od wyboru układu odniesienia wydaje się być bezsensowna, to może wyjaśnić anomalię zaobserwowaną w 1987 roku podczas wybuchu supernowej SN1987A. Pierwszy sygnał neutrin z tego obiektu wykryto wówczas 7,7 godziny wcześniej niż zaobserwowano pierwsze światło z SN1987A. Drugi sygnał neutrin naukowcy zaobserwowali trzy godziny przed tym, jak do Ziemi dotarło światło. Supernowe emitują duże ilości neutrin. Zaobserwowana trzy godziny przed światłem emisja tych cząstek jest zgodna z dotychczas przyjętą teorią zapadania się gwiazd i powstawania supernowych.

Pierwszy zaobserwowany impuls neutrin jest powszechnie uważany za niezwiązany z wybuchem supernowej. Jeśli jednak model Frabsona jest poprawny, to obserwowane spowolnienie światła można wytłumaczyć potencjałem grawitacyjnym Drogi Mlecznej. To oczywiście nie wyjaśnia drugiego impulsu, ale Franson sugeruje, że ten może być związany z dwuetapowym procesem zapadania się gwiazdy.

Naukowiec jest jednak ostrożny, podkreślając, że jest to możliwy efekt, a nie koniecznie prawdziwy. Szanse sprawdzenia teorii są niestety tak małe jak prawdopodobieństwo wybuchu bliskiej supernowej w niedalekiej przyszłości. A tylko to pozwoliłoby na weryfikację przyczyn zjawiska.

Czytaj więcej: