W pracy opublikowanej w Journal of High Energy Astrophysics dr Aleksandra Piórkowska-Kurpas z Uniwersytetu Śląskiego wraz z prof. Markiem Biesiadą z Narodowego Centrum Badań Jądrowych oraz prof. Shuo Cao z Beijing Normal University zaproponowali sposób w jaki można uzyskać ograniczenie na masę grawitonu przy użyciu danych obserwacyjnych z gromad galaktyk. Przy użyciu danych dotyczących mas12 gromad należących do próbki X-COP uzyskali oni jedne z najsilniejszych ograniczeń górnych na masę grawitonu (tj. mg < 5·10-29 eV), które jest siedem rzędów wielkości silniejsze od ograniczeń dostarczonych z obserwacji fal grawitacyjnych przez detektory LIGO-Virgo.
Zgodnie z ogólnie przyjętym obrazem, w Naturze występują cztery rodzaje oddziaływań fundamentalnych. Trzy z nich: oddziaływanie elektromagnetyczne o naturze długozasięgowej oraz słabe i silne, zachodzące w skalach subatomowych, posiadają naturę kwantową. Oznacza to, że zgodnie z opisem kwantowym oddziaływania te polegają na wymianie cząstki elementarnej o spinie całkowitym – bozonu. Tak więc, cząstką stowarzyszoną z falą elektromagnetyczną jest foton (kwant światła), natomiast cząstki przenoszące oddziaływanie słabe i silne to odpowiednio: bozony W i Z oraz gluony wiążące kwarki w hadrony (m.in. nukleony). Jedynie grawitacja, od przeszło stu lat, wymyka się ciągle spod opisu kwantowego. Problemem jest to, że kwantowa teoria pola oraz Ogólna Teoria Względności (OTW) zbudowane zostały na odmiennych założeniach oraz korzystają z odmiennych formalizmów matematycznych. Zgodnie z OTW grawitacja nie powinna być traktowana jako oddziaływanie w sensie klasycznym ale jako rezultat zakrzywienia czasoprzestrzeni, którego źródłem jest materia (wszystkie obiekty posiadające masę). Ruch obiektów w pobliżu innego ciała wywołującego zakrzywienie odbywa się po trajektoriach zakrzywionych (tzw. geodezyjne) co efektywnie wygląda tak, jakby poruszały się pod wpływem siły grawitacyjnej. Dla znakomitej większości przypadków, zakrzywienie czasoprzestrzeni jest niewielkie. Dzięki temu możemy bez większego uszczerbku stosować przybliżenie słabego pola pod postacią prawa powszechnego ciążenia Newtona (np. opis ruchu planet wokół Słońca lub gwiazd w galaktykach). Geometryczna natura grawitacji ujawnia się dopiero w przypadku silnych zakrzywień wywołanych obecnością obiektów zwartych jak gwiazdy neutronowe, czarne dziury lub ich układy. Jeżeli wierzymy, że grawitacja również może być opisana w sposób kwantowy (a oczekujemy, że może to nastąpić w skalach rzędu skali długości Plancka, czyli ok. 10-35 m) wówczas, przez analogię do innych oddziaływań, powinna ona być przenoszona przez cząstkę stowarzyszoną – grawiton. Ponieważ grawitacja (podobnie jak oddziaływanie elektromagnetyczne) jest oddziaływaniem długozasięgowym (mówimy właściwie o nieskończonym zasięgu oddziaływań grawitacyjnych, słabnących z kwadratem odległości), więc podobnie jak foton, grawiton powinien być bezmasowy. To teoretyczne przewidywanie powinno zostać zweryfikowane eksperymentalnie tym bardziej, że istnieje duża klasa modeli związanych z próbami podejścia do kwantowej grawitacji, które zakładają istnienie niezerowej masy grawitonu (tzw. modele masywnej grawitacji). W tym świetle, badania masy grawitonu jawią się jako niezwykle istotny test standardowej teorii.
Niezerowa masa grawitonu powinna ujawnić się w dostępnym nam obrazie otaczającej rzeczywistości jako pewne niezwykle subtelne, niestandardowe efekty. W szczególności dotyczy to skali największej, a więc Wszechświata i jego dynamiki. Największymi powiązanymi grawitacyjnie strukturami we Wszechświecie są gromady i supergromady galaktyk. W podejściu fenomenologicznym, niezerowa masa grawitonu powinna wiązać się z ograniczeniem zasięgu oddziaływania grawitacyjnego zgodnie z tzw. potencjałem Yukawy, będącego modyfikacją potencjału Newtona (niezerowa masa wiąże się z ograniczoną długością fali Comptona stowarzyszonej z grawitonem, a więc siła przyciągania grawitacyjnego powinna maleć szybciej niż z kwadratem odległości). To z kolei powinno wpłynąć na właściwości związane z grupowaniem materii pod wpływem grawitacji na dużych skalach, m.in. na masy gromad galaktyk. Dzięki połączeniu obserwacji prowadzonych w zakresie promieniowania rentgenowskiego oraz kosmicznego promieniowania mikrofalowego tła dysponujemy obecnie coraz lepszymi danymi dotyczącymi mas tych obiektów. W szczególności, niepewności pomiarowe związane z tymi danymi pozwalają na oszacowanie z góry maksymalnej masy grawitonu tak, aby konsekwencje wynikające z jego masy nie kłóciły się jeszcze z danymi obserwacyjnymi.
Źródło: Graviton mass from X-COP galaxy clusters; Aleksandra Piórkowska-Kurpas, Shuo Cao, Marek Biesiada; Journal of High Energy Astrophysics Volume 33, March 2022, Pages 37-43; https://doi.org/10.1016/j.jheap.2022.01.001
Autor tekstu: dr Aleksandra Piórkowska-Kurpas
