Νανόπουλος MAGIC (Addendum)

Την Κυριακή, το Βήμα Science είχε μία συνέντευξη του καθηγητή και ακαδημαϊκού Δημήτρη Νανόπουλου με τίτλο: Φως στη «σκοτεινή ενέργεια». Στο άρθρο παρουσιάζονται κάποια βιογραφικά στοιχεία στην αρχή, ενώ στη συνέχεια της συνέντευξης η συζήτηση περνά στα τρέχοντα επιστημονικά ενδιαφέροντα του κ. Νανόπουλου.

Το πρώτο θέμα που θίγεται είναι το ζήτημα της εμφάνισης διασποράς στα φωτόνια υψηλής ενέργειας που έρχονται από πολύ μακριά εξαιτίας φαινομένων κβαντικής βαρύτητας, κάτι με το οποίο έχω ασχοληθεί αρκετά σ' αυτό το blog.

Μετά γίνεται μία συζήτηση για την προέλευση της κοσμολογικής σταθεράς ενώ στη συνέχεια η συζήτηση πάει στο εκπυρωτικό μοντέλο και σε διάφορες άλλες κοσμολογικές προτάσεις της M-theory.

Ευχάριστο διάλειμμα της συνέντευξης αποτελούν οι αναφορές στο Κοράνι που δίνει την ταχύτητα του φωτός (θα το αντέγραψαν σίγουρα από τον Αριστοτέλη) και η ερώτηση για το αν έχουν καταφέρει να φτιάξουν οι Αμερικάνοι και η NASA συσκευές αντιβαρύτητας...

Η συνέντευξη κλίνει με μία αναφορά στην αναζήτηση της Θεωρίας των Πάντων και της Υπερσυμμετρίας και τις σχετικές προσπάθειες που γίνονται στο CERN, όπου ο Δ. Νανόπουλος δεν ξεχνά να κατηγορήσει τον κορυφαίο θεωρητικό φυσικό Σάββα Δημόπουλο (μαζί με τον Hawking) ως τροχοπέδη στην πρόοδο της έρευνας, όπως φαίνεται στην παράθεση παρακάτω:

«Θα κάνω ένα άλμα οραματισμού: Εφόσον στον LΗC δημιουργούμε συνθήκες απαρχής του Σύμπαντος, μήπως θα μπορούσατε να πάρετε εκεί μετρήσεις ταχυτήτων διαθλασμένου φωτός,αντί να περιμένετε φωτόνια από μακρινούς γαλαξίες;».
«Πολύ, πολύ σωστό! Αν το έλεγα αυτό πριν από κάποια χρόνια, δεν θα το πίστευε κανένας. Τώρα όμως, που το λέτε, δεν είναι λάθος όραμα: όντως ο μηχανισμός είναι ο ίδιος, αλλά δεν έχουμε ακόμη επιταχυντές με την απαιτούμενη ενέργεια. Επίσης, εκτός από το τεχνικό ανέτοιμο του πράγματος, έχουμε να υπερκεράσουμε και τις εσωτερικές διαμάχες μεταξύ των φυσικών. Για παράδειγμα, η σχολή των Χόκινς- Δημόπουλου κ.ά. δεν δέχεται ακόμη κάτι τέτοιο ούτε ως δυνατότητα. Γενικά βρισκόμαστε στο ξεκίνημα μιας νέας θεώρησης της φυσικής. Θα χρειαστεί να σκύψουν επάνω της οι νέες γενιές φυσικών για να φτάσουμε στη επόμενη φάση, αυτή των κοσμογονικών ανακαλύψεων».

Αυτά με την συνέντευξη. Από όλα αυτά τα χαριτωμένα λοιπόν, εγώ θα ασχοληθώ με αυτό:

Μολονότι η διαδικασία μοιάζει με την ανάλυση του φωτός από το πρίσμα του Νεύτωνα, το φιλτράρισμα συχνοτήτων δίνει αλλαγές στην ταχύτητα με την οποία ταξιδεύει το φως. Απτά δείγματα είχαμε το 2007, όταν κατά τη διάρκεια πειράματος που έγινε από τα τηλεσκόπια ακτίνων γάμμα των Καναρίων Νήσων πήραμε μετρήσεις φωτονίων- προερχομένων από ενεργούς πυρήνες γαλαξιών που μας έδειχναν τέτοιες επιδράσεις στην ταχύτητα. Το συγκλονιστικό είναι ότι αυτές οι μετρήσεις έδιναν ακριβώς την κλίμακα που προβλέπει η Θεωρία Χορδών! Ηταν, άραγε, απλώς μια φοβερή σύμπτωση; Αποφασίσαμε να περιμένουμε και άλλες μετρήσεις.

Στα τέλη Δεκεμβρίου 2008 λάβαμε τις μετρήσεις του νέου πειράματος, που έγινε από το δορυφορικό τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα Fermi. Είχε συλλέξει φωτόνια ηλικίας 11 δισεκατομμυρίων ετών φωτός που... δείχνουν κλίμακα ταχυτήτων ακριβώς όμοια με εκείνη των Καναρίων Νήσων! Το πράγμα πλέον ξέφυγε από την πιθανότητα σύμπτωσης και πηγαίνει στη βεβαιότητα.

Διαβάζοντας τα παραπάνω κατάλαβα ότι είχαμε εξελίξεις στο συγκεκριμένο θέμα. Έψαξα λοιπόν στο arXiv όπου και βρήκα την εργασία των John Ellis, N. E. Mavromatos και D.V. Nanopoulos, με τίτλο: Probing a Possible Vacuum Refractive Index with γ-Ray Telescopes* και η οποία παρουσιάζεται ως *Addendum to ‘Derivation of a Vacuum Refractive Index in a Stringy Space-Time Foam Model’, Phys. Lett. B 665, 412 (2008).
Το abstract της εργασίας αναφέρει:

We have used a stringy model of quantum space-time foam to suggest that the vacuum may exhibit a non-trivial refractive index depending linearly on γ-ray energy: η − 1 ~ Eγ/MQG, where MQG is some mass scale typical of quantum gravity that may be ~ 10^18 GeV: see [1] and references therein. The MAGIC, HESS and Fermi γ-ray telescopes have recently probed the possible existence of such an energy-dependent vacuum refractive index. All find indications of time-lags for higher-energy photons, but cannot exclude the possibility that they are due to intrinsic delays at the sources. However, the MAGIC and HESS observations of time-lags in emissions from AGNs Mkn 501 and PKS 2155-304 are compatible with each other and a refractive index depending linearly on the γ-ray energy, with MQG ~ 10^18 GeV. We combine their results to estimate the time-lag Δt to be expected for the highest-energy photon from GRB 080916c measured by the Fermi telescope, which has an energy ~ 13.2 GeV, assuming the redshift z = 4.2 ± 0.3 measured by GROND. In the case of a refractive index depending linearly on the γ-ray energy we predict Δt = 25 ± 11 s. This is compatible with the time-lag Δt =< 16.5 s reported by the Fermi Collaboration, whereas the time-lag would be negligible in the case of a refractive index depending quadratically on the γ-ray energy. We suggest a strategy for future observations that could distinguish between a quantum-gravitational effect and other interpretations of the time-lags observed by the MAGIC, HESS and Fermi γ-ray telescopes.

Να θυμίσω ότι το αποτέλεσμα του HESS για τον AGN PKS 2155-304 που αναφέρεται παραπάνω, είναι αυτό στο οποίο είχα αναφερθεί πριν από λίγο καιρό εδώ, ενώ το αποτέλεσμα του MAGIC για τον Mkn 501 είναι αυτό για το οποίο είχα αναφερθεί εδώ, εδώ και εδώ (και εδώ, εδώ, εδώ). Το καινούριο λοιπόν στοιχείο είναι το GRB 080916c που είδε το Fermi. Αυτά λέει το abstract λοιπόν. Ας δούμε τι λέει το άρθρο και παρακάτω.

Διαβάζοντας το άρθρο, βλέπουμε αρχικά να παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του MAGIC και του HESS, όπου θυμίζω ότι τα αποτελέσματα του HESS ήταν αρνητικά και απέκλειαν φαινόμενα διασποράς (με ένα σχετικό spin ώστε να μην σκοτώνουν το μοντέλο τους), τα οποία συμπληρώνονται από την παρατήρηση από το Fermi:

Finally, the Fermi Collaboration has made a preliminary report of a 4.5-second time delay between the onsets of high- (> 100 MeV) and low-energy (> 100 KeV) emissions, and a time-lag Δt = 16.5 s for a photon with energy $$\reverse\opaque 13.2^{+0.70}_{-1.54}GeV$$ from the GRB 080916c.

όπου παρατηρούμε ότι υπάρχει ένα time-lag 4.5s στις χαμηλές ενέργειες και ένα time-lag 16.5s στην υψηλότερη ενέργεια που παρατηρήθηκε. Να θυμίσω ότι το redshift του GRB είναι περίπου z=4.2 όπως αναφέρεται και παραπάνω.

Στην συνέχεια της εργασίας γίνεται μια αρκετά ειλικρινής αποδοχή του γεγονότος ότι τα δεδομένα ως έχουν, δεν μπορούν να αποδοθούν σε διασπορά στην ταχύτητα του φωτός εξαιτίας κβαντικών φαινομένων και ότι η πιθανότερη αιτία είναι φαινόμενα που συμβαίνουν στην πηγή.

The most conservative interpretations of the MAGIC, HESS and Fermi time-lags are that they are due to emission mechanisms at the sources...
These different possibilities limit the sensitivities of probes for quantum-gravity effects, and it is clear that they must all be taken into account and controlled before claiming a robust lower limit on any observable effect of space-time foam, and a fortiori before claiming the existence of any such effect.

Αυτό το ύφος υπάρχει σε όλη την εργασία και φυσικά δεν θα μπορούσε να συμβαίνει διαφορετικά, αφού τα δεδομένα δεν βοηθάνε:

The robust analysis in [9] of a sample of GRBs extending to large redshifts found indications of a red-shift independent intrinsic time-lag as well as fluctuations in the time-lags between different structures. After controlling for these effects, and performing a linear regression analysis in terms of the appropriate function of the redshift... no significant evidence was found for a redshift-dependent propagation effect...

The available sample of AGNs is still not large enough for a robust regression analysis. However, one can at least check for consistency between the available MAGIC and HESS results, and gauge the magnitude of possible intrinsic fluctuations in the AGN time-lags. Comparing the time-lag measured by MAGIC for Mkn 501at z = 0.034: Δt/E = 0.030±0.012 s/GeV, with that measured for PKS 2155-304 at z = 0.116: Δt/E = 0.030±0.027 s/GeV, we see that they are compatible with a common, energy-dependent intrinsic time-lag at the source.

Φυσικά οι άνθρωποι δεν μένουν εκεί. Ελέγχουν και την θετική για τη θεωρία τους υπόθεση, που είναι και το βασικό αντικείμενο της εργασίας. Υποθέτοντας ότι τελικά η όποια χρονική διαφορά βλέπουν ανάμεσα στα φωτόνια χαμηλών και υψηλών ενεργειών οφείλεται αποκλειστικά σε διασπορά και όχι σε εσωτερικές διεργασίες της πηγής, βγάζουν μία σχέση για την διασπορά η οποία είναι:
$$\reverse\opaque \Delta t/E_{\gamma}=(0.43\pm0.19)\times K(z)s/GeV$$
όπου
$$\reverse\opaque K(z)\equiv \int^z_0\frac{(1+z)dz}{\sqrt{\Omega_{\Lambda}+\Omega_m(1+z)^3}}$$.
Αυτή τη σχέση εφαρμόζουν για το GRB 080916c που είδε το Fermi, ώστε να δουν πόσο κοντά είναι το αποτέλεσμα που βγάζει το θεωρητικό μοντέλο με αυτό που μετρήθηκε. Το αποτέλεσμα που δίνει λοιπόν η παραπάνω σχέση είναι Δt = 25 ± 11 s, ενώ αυτό που μετρήθηκε είναι 16.5 s, όπου όλα αυτά υπολογίζονται για το φωτόνιο υψηλότερης ενέργειας που είναι περίπου 13.2 GeV. Το σχόλιο που γίνεται για αυτό το αποτέλεσμα έχει ενδιαφέρον:

The consistency between this Fermi measurement and the best-fit estimate is striking, but one should keep in mind that all or part of the 16.5 s time-lag of this highest-energy photon could be due to intrinsic effects. Indeed, the 4.5-second time-lag observed for ~ 100 MeV photons could not be explained by a propagation effect that depends linearly on the energy.

Από την εργασία αυτή θέλω να παραθέσω ακόμα δύο σημεία που με βρίσκουν απόλυτα σύμφωνο:

If the apparent consistency between the available AGN and GRB data would persist, it would provide much more convincing evidence for a possible linearly energy-dependent propagation effect than could either AGN or the GRB data alone, since the sources are so different in nature. However, ‘extraordinary claims require extraordinary evidence’, so for the moment we can applaud the efforts of the MAGIC, HESS and Fermi Collaborations to date, wish them good fortune in the future, and stress the advantages of a combined analysis of AGNs and GRBs.

We close by repeating that, with measurements of only a few AGN flares from MAGIC and HESS, it is not possible to disentangle with any certainty intrinsic source effects from propagation effects. For this one would need statistically significant populations of AGN data. Unfortunately the occurrence of fast flares in AGNs is currently unpredictable, and since no correlation has yet been established with observations in other energy bands that could be used as a trigger signal, only serendipitous detections are currently possible. However, the encouraging news from the GRB front, in particular from the Fermi γ-ray telescope, leads to the hope that there will soon be many more observations of energetic photons from GRBs like 080916c, which could play an increasingly important role in future quantum gravity tests. In particular, the different redshifts of GRB data could help disentangle source and propagation effects, and the different energy ranges of the GRB and AGN data could help distinguish between different possible energy dependences.

Η εργασία αφιερώνει ακόμα ένα κομμάτι στην ανάλυση του ενδεχομένου να έχουμε τετραγωνική εξάρτηση της διασποράς από την ενέργεια (τα παραπάνω είναι για γραμμική εξάρτηση), όπου καταλήγει ότι αποκλείεται αυτό το ενδεχόμενο από τις παρατηρήσεις, ενώ γίνεται και μια διερεύνηση των κριτηρίων που πρέπει να ικανοποιούνται από τα διάφορα μοντέλα κβαντικής βαρύτητας που προβλέπουν διασπορά στην ταχύτητα του φωτός με βάση διάφορα constrains που υπάρχουν.

Λίγο πολύ, αυτά λέει το συγκεκριμένο paper και πραγματικά δεν νομίζω ότι μπορεί να διαφωνήσει κανένας με όλα αυτά και το ύφος ή το πρίσμα μέσα από το οποίο διατυπώνονται. Η απορία λοιπόν που έχω εγώ μετά από όλα τα παραπάνω είναι: που κολλάει η φράση "Το πράγμα πλέον ξέφυγε από την πιθανότητα σύμπτωσης και πηγαίνει στη βεβαιότητα";
Πραγματικά δεν καταλαβαίνω. Το μόνο που μπορώ να υποθέσω είναι ότι τα papers τα γράφει ο Μαυρόματος, γιατί διαφορετικά θα το είχε πάρει το Νόμπελ και θα ευχαριστούσε την ακαδημία στα acknowledgements.

Ok, πείτε με σπαστικό, αλλά αυτός ο παρλαπιπισμός μου τη δίνει στα νεύρα. Anyway, δεν φταίει και αποκλειστικά ο Νανόπουλος εδώ που τα λέμε. Παίζει ρόλο και το σε ποιους απευθύνεσαι. Σιγά μην τα έκανε αλλού αυτά. Αλλά εδώ τα κρίνουμε όλα με όρους star-system.

Με την ευκαιρία, θα ήθελα να αναφερθώ σε ακόμα ένα σημείο σχετικά με τους μηχανισμούς ακτινοβολίας των AGNs και των GRBs. Κάπου στην εργασία, αναφέρεται ότι:

The most conservative interpretations of the MAGIC, HESS and Fermi time-lags are that they are due to emission mechanisms at the sources. The mechanisms leading to γ-ray emissions from AGNs and GRBs are surely different. However, it is possible that there may be some common systematic effect leading to higher-energy photons being emitted later.

Αυτό, το ότι δηλαδή οι μηχανισμοί εκπομπής ακτινοβολίας ανάμεσα στους AGNs και τα GRBs είναι διαφορετικοί, δεν είναι ακριβές. Γενικά οι εκλάμψεις ακτίνων γάμμα (GRBs) είναι αρκετά σύνθετα φαινόμενα, αλλά υπάρχουν ενδείξεις ότι μπορούν να χωριστούν σε δύο κλάσεις που τα διαφοροποιούν και ως προς τον μηχανισμό. Στην πρώτη κατηγορία έχουμε τα short GRBs, που πιστεύουμε ότι οφείλονται σε φαινόμενα όπως οι συγκρούσεις αστέρων νετρονίων, ενώ στη δεύτερη κατηγορία έχουμε τα long GRBs, που πιστεύουμε ότι οφείλονται στις εκρήξεις αστέρων που έχουν φτάσει στο τέλος της ζωής τους και πάνε να φτιάξουν κάποιον αστέρα νετρονίων ή μία μαύρη τρύπα. Στα long GRBs λοιπόν, αυτό που έχουμε είναι υλικό που εκτινάσσεται με σχετικιστικές ταχύτητες, το οποίο ή συναντά στρώματα του αστέρα που κινούνται πιο αργά ή συναντά το μεσοαστρικό υλικό με αποτέλεσμα να δημιουργούνται κρουστικά κύματα. Ακόμα, πολλές φορές η εκροή αυτού του υλικού εμφανίζεται να γίνεται υπό την μορφή jet. Αυτό που συμβαίνει λοιπόν με τα κρουστικά κύματα είναι η επιτάχυνση φορτισμένων σωματιδίων σε μεγάλες ενέργειες, τα οποία μετά ακτινοβολούν την ενέργειά τους ως synchrotron ακτινοβολία ή ως ακτινοβολία αντίστροφου σκεδασμού Compton. Μάλιστα η περιπλοκότητα του prompt emission αποδίδεται ακριβώς στην δημιουργία σύνθετων internal shocks κατά την έκρηξη. Όλα αυτά λοιπόν είναι ο ίδιος μηχανισμός ακτινοβολίας που έχουμε και στους ενεργούς γαλαξίες. Αυτό που αλλάζει είναι ο τρόπος που παράγονται, η δυναμική και η δομή των κρουστικών κυμάτων που έχουμε στις δύο περιπτώσεις. Φυσικά τα πράγματα δεν είναι απλά, αλλά η βασική φυσική του μηχανισμού είναι η ίδια και εδώ που τα λέμε, δεν θα μπορούσε και να είναι διαφορετικά.

Πρέπει να ομολογήσω ότι μου έκαναν φοβερή εντύπωση τα άρθρα στη Wikipedia για τα GRBs και τους μηχανισμούς ακτινοβολίας. Δεν το περίμενα να είναι τόσο αναλυτικά και ενημερωμένα και με τόση φυσική. Αξίζει να τα δει κανείς μαζί με τις αναφορές που έχουν στο τέλος και όποιος ενδιαφέρεται να δει μερικά πράγματα παραπάνω σε σχέση με το GRB 080916c και τα παραπάνω μοντέλα, μπορεί να κοιτάξει στο arXiv αυτά τα άρθρα. Το θέμα έχει πάάάρα πολύ ενδιαφέρον και είναι από τα πολύ hot αστροφυσικά θέματα.

Τέλος, πρέπει να πω ότι το paper [1], στο Physics Letters B, είναι ωραίο paperάκι και αξίζει να το κοιτάξει κανείς, κυρίως για τον τρόπου που παρουσιάζει με απλή φυσική και διαισθητικά το πώς προκύπτει ο effective δείκτης διάθλασης από την αλληλεπίδραση των φωτονίων με τα D-particles σε αναλογία με το πώς προκύπτει από την αλληλεπίδραση του φωτός με τα άτομα ενός μέσου [30].


Αυτά τα ολίγα λοιπόν.


------------------------------------------------
[1] J. Ellis, N. E. Mavromatos and D. V. Nanopoulos, Phys. Lett. B 665, 412 (2008).
[6] J. Albert et al. (MAGIC Collaboration), J. Ellis, N. E. Mavromatos, D. V. Nanopoulos, A. S. Sakharov, and E. K. G. Sarkisyan, Phys. Lett. B in press 668, 253-257 (2008).
[7] F. Aharonian et al. [HESS Collaboration], Phys. Rev. Lett. 101, 170402 (2008).
[8] Fermi Collaboration, to be published, as reported in talks by A. Bouvier, Texas Symposium on Relativistic Astrophysics, December 8 - 12 2008, Vancouver (Canada); C. Dermer, J. McEnery and S. Ritz, 213th American Astronomical Society meeting, January 4 - 8 2009, Long Beach, California (USA), http://aas.org/meetings/aas213/. See also:
http://www.sciencenews.org/view/generic/id/39228/title/New window on the high-energy universe.
[9] J. R. Ellis, N. E. Mavromatos, D. V. Nanopoulos, A. S. Sakharov and E. K. G. Sarkisyan, Astropart. Phys. 25, 402 (2006) [Astropart. Phys. 29, 158 (2008)]
[30] R.P. Feynman, R.B. Leighton and M. Sands, The Feynman Lectures on Physics Vol. 2, (Addison-Wesley, Reading Mass. 1977).