Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant, das besagt Einsteins Relativitätstheorie. Doch wenn diese mit der modernen Quantenmechanik vereinbar sein soll, müsste diese Konstanz des Lichts bei extremer Energie fallen. So jedenfalls besagen es einige Theorien der Quantengravitation. Eine kosmische Katastrophe hat nun Astronomen die Chance eröffnet, diese Annahme zu überprüfen. Am Licht eines extrem starken Gammastrahlenausbruchs konnten sie ermitteln, ob sich die Lichtgeschwindigkeit bei den energiereichsten Strahlenanteilen von energieärmeren unterscheidet. Das Ergebnis: Sollte es diese energieabhängige Abweichung geben, muss sie kleiner sein als 1,7 Billiardstel.
Die Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein bildet die Grundlage der klassischen Physik. Sie erklärt nahezu alle auf der Erde und im All beobachtbaren Phänomene – aber nicht die Vorgänge in der Quantenwelt. Auch das Phänomen der Gravitation, das Einstein als Krümmung der Raumzeit beschreibt, ist nicht mit den Gesetzen der Quantenphysik vereinbar. Deshalb versuchen Physiker seit Jahrzehnten, diese Widersprüche durch Theorien wie die Quantengravitation aufzulösen. Nach diesen Modellen ist die Raumzeit keine kontinuierliche Matrix wie bei Einstein, sondern in kleinste Einheiten unterteilt. Diese gequantelte Raumzeit hätte jedoch bei einigen Varianten der Quantengravitation zur Folge, dass das Licht nicht mehr ungehindert und mit konstanter Geschwindigkeit durch das Vakuum passieren könnte. Stattdessen müsste Strahlung mit besonders hoher Energie diese Quantelung der Matrix sozusagen “spüren” und dadurch ein winziges Bisschen abgebremst werden. Physiker bezeichnen solche subtilen Abweichungen von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit auch als Lorentzinvarianz-Verletzung (LIV).
Gammastrahlenausbruch der Superlative
Das Problem jedoch: Weil diese winzigen Abweichungen – so es sie denn gibt – erst bei extrem hohen Energien auftreten und weil sie noch dazu so gering sind, dass sie erst über enorme Strecken hinweg überhaupt in den Bereich des Messbaren geraten, war diese Lorentzinvarianz-Verletzung bisher weder beweisbar noch widerlegbar. Doch nun ist den Physikern eine kosmische Katastrophe zu Hilfe gekommen. Dabei handelt es sich um einen Gammastrahlenausbruch – einen Blitz extrem kurzwelliger und energiereicher Strahlung, wie er unter anderem bei der Explosion mancher Sterne oder auch bei der Kollision von Neutronensternen freigesetzt werden kann. Im Januar 2019 detektierten mehrere Observatorien, darunter die beiden MAGIC-Teleskope auf La Palma, einen Gammablitz, der ungewöhnlich intensiv ausfiel: Für etwa 30 Sekunden war sein Nachglühen mehr als 100-fach so stark wie der Krebsnebel, die hellste bekannte Gammaquelle in unserer Milchstraße. Mit einer Energie von rund zwei Teraelektronenvolt war GRB190114 c der bis dahin energiereichste je detektierte Gammablitz.
Und genau dies machte diesen Gammastrahlenausbruch zu einem perfekten Messinstrument für die von einigen Quantengravitationstheorien geforderte Verletzung der Lorentzinvarianz. Denn die Strahlung dieses Ereignisses ist hochvariabel und verteilt sich auf viele verschiedene Frequenz- und Energiebereiche. Gleichzeitig lag die Quelle dieses Gammastrahlenausbruchs 4,5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Damit war sie uns zwar näher als manche andere Ausbrüche dieser Art, aber noch immer weit genug entfernt, um mögliche Verletzungen der konstanten Lichtgeschwindigkeit zumindest einzugrenzen. Dafür prüften die Forscher der MAGIC-Kollaboration, ob es energieabhängige Unterschiede in den Eintreffzeiten der verschiedenen Strahlenanteile gab.
Sie ist konstant – zumindest bis zu einem bestimmten Wert
Die Analyse der Beobachtungsdaten ergab, dass die Ankunftszeit der Gammastrahlen nicht von ihrer Energie abhing. Zumindest in dem an diesem Gammastrahlenausbruch ablesbaren Bereich scheint die Lichtgeschwindigkeit demnach konstant zu sein. “Das bedeutet aber nicht, dass das MAGIC-Team mit leeren Händen dasteht”, erklärt Giacomo D’Amico vom Max-Planck-Institut für Physik. “Wir konnten den möglichen Energiebereich für das Auftreten von Effekten der Quantengravitation weiter einengen.” Demnach kann die energiebedingte Abweichung der Photonen von der Lichtgeschwindigkeit nicht größer sein als 1,7 mal 10 hoch minus 15 – also 1,7 Billiardstel. Dieses Ergebnis trägt damit entscheidend dazu bei, die Gültigkeit einiger Varianten der Quantengravitation einzugrenzen.
Gleichzeitig ist diese Messung erst ein Anfang: “Der beobachtete Gammablitz war relativ nahe an der Erde”, sagt Oscar Blanch, Sprecher der MAGIC-Kollaboration. “Wir hoffen, künftig hellere und entferntere Objekte beobachten zu können, mit denen dann noch empfindlichere Tests der Quantengravitation möglich sind.”
Quelle: MAGIC Collaboration (Physical Review Letters, doi: 10.1103/PhysRevLett.125.0213
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