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MAGIC
Gammablitz bestätigt Einstein
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Physik
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10. Juli 2020

Gammastrahlenausbrüche zählen zu den energiereichsten Explosionen im Universum. Die Beobachtung eines besonders energiereichen Exemplars durch die beiden MAGIC-Teleskope auf La Palma führte nun zu einer weiteren Bestätigung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie: Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist konstant und hängt nicht von der Energie der Lichtteilchen ab.

Gammablitz

Künstlerische Darstellung eines von den MAGIC-Teleskopen und Satelliten entdeckten Gammablitzes.  Bild:  Superbossa.com, Alice Donini MAGIC Collaboration [Großansicht]

Im Jahr 2019 entdeckten die beiden MAGIC-Teleskope einen Gammablitz, dessen intensive Strahlung alle bisherigen Messungen übertraf. Doch die Beobachtungsdaten hatten noch mehr zu bieten: Mit ihren Auswertungen konnten die MAGIC-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler bestätigen, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum konstant ist – und nicht von der Energie der Lichtteilchen abhängt. Die Studie ist damit ein weiterer Beleg für Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie.

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie (ART) gilt als eine der schönsten und elegantesten Theorien in der Physik. Sie beschreibt, wie Masse und Energie mit der Raumzeit wechselwirken – und damit das Phänomen der Gravitation, auch Schwerkraft genannt, herstellen. Die ART setzt voraus, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum konstant ist (Lorentzinvarianz), eine Annahme, die zahlreiche Experimente bestätigten.

Allerdings vermuten Pysikerinnen und Physiker, dass die ART nicht die grundlegendste Theorie ist. Eine quantenmechanische Beschreibung der Gravitation – die so genannte Quantengravitation – wäre durchaus denkbar. Einige dieser Theorien verstehen die Lichtgeschwindigkeit als energieabhängige Größe. Diese Hypothese verstößt allerdings gegen das Prinzip der unabänderlichen Lichtgeschwindigkeit. Man spricht daher von der Lorentzinvarianz-Verletzung (LIV). Bisher ging man davon aus, dass die Effekte der LIV sehr klein und nicht messbar wären – es sei denn, man könnte sie über einen langen Zeitraum erfassen.

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Genau diese Möglichkeit eröffnen zum Beispiel Gammablitze. Darunter versteht man mächtige Explosionen im All, die hochvariable und extrem energiereiche Signale, insbesondere Gammastrahlen, aussenden. Gammastrahlenausbrüche sind daher exzellente natürliche Laboratorien, um die Quantengravitations-Theorien auf ihre Plausibilität hin zu prüfen: Je höher die Energie der Lichtteilchen, umso wahrscheinlicher ist es, dass sich quantengravitative Effekte zeigen und sich die Lichtgeschwindigkeit verändert. Gammablitze setzen extrem viele dieser Lichtteilchen (Photonen) frei, die über Milliarden Jahre unterwegs sind, bevor sie die Erde erreichen.

Am 14. Januar 2019 entdeckten die MAGIC-Teleskope einen heftigen Gammastrahlenausbruch mit Energien, die 1.000 Milliarden Mal so energiereich sind wie sichtbares Licht: Der Gammablitz war der erste, bei dem eine Energie im Teraelektronenvolt-Bereich nachweisbar war. Die Analyse der Beobachtungsdaten lieferte den Beleg, dass die zeitversetzte Ankunft der Gammastrahlen nicht von ihrer Energie abhing. Einstein hält somit die Stellung.

"Das bedeutet aber nicht, dass das MAGIC-Team mit leeren Händen dasteht", sagt Giacomo D’Amico, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik. "Wir konnten den möglichen Energiebereich für das Auftreten von Effekten der Quantengravitation weiter einengen."

Anders als frühere Arbeiten konnte das MAGIC-Team auf Gammablitz-Signale im Teraelektronenvolt-Bereich zurückgreifen. Damit setzt die Studie einen Meilenstein für die künftige Forschung und Überprüfung von Einsteins Theorie im 21. Jahrhundert. Oscar Blanch, Sprecher des MAGIC-Forschungsverbunds erklärt: "Der beobachtete Gammablitz war relativ nahe an der Erde. Wir hoffen, künftig hellere und entferntere Objekte beobachten zu können, mit denen dann noch empfindlichere Tests der Quantengravitation möglich sind." 

Über die Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel in der Zeitschrift Physical Review Letters.

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siehe auch
MAGIC: Gammalicht von entferntem Blazar - 4. November 2016
MAGIC: Gammalicht von einer aktiven Galaxie - 17. Dezember 2015
MAGIC: Pulsar im Krebsnebel gibt Rätsel auf - 29. März 2012
La Palma: Zweites MAGIC-Teleskop vor "First Light" - 15. April 2009
MAGIC: Unerwartete Transparenz für Gammastrahlen - 27. Juni 2008
MAGIC: Neues Fenster zum Universum - 13. Oktober 2003
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Max-Planck-Institut für Physik
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