Um novo estudo combinando dados de da NASA Observatório de Raios-X Chandra eo Telescópio de Raios Gama Fermi, eo muito enérgico Imaging Telescope Radiação Array (VERITAS) no Arizona está ajudando os cientistas a estabelecer limites sobre a natureza quântica do espaço-tempo em extremamente pequenas escalas. Certos aspectos da mecânica quântica prevêem que o espaço-tempo - as três dimensões do espaço, mais tempo - não seria bom na escala de cerca de dez vezes um bilionésimo de trilionésimo de o diâmetro do núcleo de um átomo de hidrogênio. Eles referem-se à estrutura que pode existir no seguinte tamanho extremamente pequeno como " espuma de espaço-tempo . "
Ilustração do artista acima mostra como a estrutura espumoso do espaço-tempo podem aparecer, mostrando bolhas minúsculas quatrilhões de vezes menores que o núcleo de um átomo que estão em constante flutuação e durar por apenas frações infinitesimais de um segundo.
Porque espuma espaço-tempo é tão pequeno, é impossível observá-lo diretamente. No entanto, dependendo de qual é o modelo de espaço-tempo é usado, a luz que viajou através de grandes distâncias cósmicas pode ser afetada pela espuma invisível de forma que os cientistas podem analisar. Mais especificamente, alguns modelos prevêem que a acumulação de incertezas distância para viajar luz através de bilhões de anos-luz faria com que a qualidade de imagem para degradar tanto que os objetos se tornaria indetectável. O comprimento de onda onde os desaparece imagem deve depender do modelo de espuma de espaço-tempo utilizado.
Os pesquisadores usaram observações de raios-X e raios gama de quasares distantes - fontes luminosas produzidas pela matéria que cai em direção buracos negros supermassivos - para modelos de teste da lisura e da estrutura do espaço-tempo.
Detecção de raios-X de Chandra de seis quasares, mostrado na parte superior do gráfico, a distâncias de milhares de milhões de anos de luz, exclui um modelo, segundo a qual fotões difundir aleatoriamente através de espuma de espaço-tempo de uma maneira semelhante à difusão de luz através nevoeiro. Detecções de quasares distantes num prazo mais curto, comprimentos de onda de raios-gama Fermi com comprimentos de onda mais curtos e com VERITAS demonstrar que um segundo chamado modelo, holográfica com menos de difusão não funciona.
Eric Perlman, que liderou o estudo e autor dos parágrafos que se seguem abaixo da fixação de limites sobre o foaminess do espaço-tempo, é professor no Instituto de Tecnologia da Flórida:
Astronomia tem sido uma ferramenta de descoberta desde o alvorecer da civilização. Por milhares de anos, os humanos usavam as estrelas para navegar e encontrar o seu lugar no universo. Astronomia possibilitou as viagens dos antigos polinésios através do Oceano Pacífico, bem como medições de tamanho e forma da Terra pelos gregos antigos. Hoje, os astrônomos procurar dicas sobre o que o universo como era quando o universo era muito mais jovem. Então, imagine, por um segundo, o que seria a vida - e quanto menos nós sabemos sobre nós mesmos e do universo - se a natureza microscópica do espaço-tempo fez algumas destas medidas impossíveis.
Este é o enigma colocado por nossas observações de objetos muito distantes em raios-X e raios gama, e para mim, como um astrônomo, é um conceito alucinante Eu nunca pensei que eu teria que lidar com eles. Eu sempre fui interessado em quasares, tanto por causa da física extremas que podem ocorrer perto de seus buracos negros supermassivos centrais ou nas suas saídas energéticas chamados jatos, bem como por causa das idéias inovadoras que podem ser adquiridas por causa do fato de que eles são as coisas mais brilhantes e luminosas que podemos ver desde os primeiros estágios de evolução do universo.
Eu me interessei na estrutura do espaço-tempo quase por acaso. Quinze anos atrás, eu escrevi um artigo sobre observações do Telescópio Espacial Hubble de um quasar, PKS 1413 + 135, onde o núcleo da galáxia era tão brilhante que pode-se facilmente ver anéis arejado - artefatos que são sempre observadas quando se leva imagens de alta qualidade uma fonte não resolvida.
Dois anos mais tarde, Richard Lloyd Lieu e Hillman da Universidade de Alabama em Huntsville, escreveu um artigo afirmando que o simples fato de que essas imagens existiam excluir modelos de gravidade quântica. Este foi então disputada por dois dos meus co-autores, Y. Jack Ng e Wayne Christiansen, da Universidade da Carolina do Norte. Em 2005, fui convidado a avaliar um de seus papéis pelo editor da revista Physical Review Letters. Fiquei tão fascinado com o tema que após a sua documento foi publicado, eu contactado-los com uma idéia do meu próprio. Jack, Wayne e eu, juntamente com outros colaboradores, têm trabalhado em conjunto sobre este assunto desde aquela época.
O que é sobre o espaço eo tempo que pode determinar se nós poderíamos até mesmo tirar fotos de um objeto distante? A resposta reside na natureza do próprio espaço-tempo e como a luz viaja. A luz viaja ao longo de um caminho chamado de geodésico nulo.Esta é a menor distância entre dois pontos. Na ausência de gravidade, uma geodésica nulo é representado por uma linha recta. Mas se a massa estiver presente, o geodésico nulo representa o caminho mais curto-distância através do espaço-tempo curvo. A teoria de Albert Einstein da relatividade geral (GR) descreve como massa curvas espaço-tempo, um efeito que pode ver de maneiras tão variadas como lente gravitacional por galáxias distantes, a precessão da órbita de Mercúrio, eo relativista frame-arrastar que é observado na variabilidade dos binários de raios-X.
Em GR, existem quatro dimensões, três de espaço e uma de cada vez. Um dos maiores enigmas da física moderna é por gravidade (e GR) não pode ser unificada com a mecânica quântica (que tem sido imensamente eficaz em descrever a estrutura dos átomos), como as forças eletromagnéticas e outros foram. Modelos de gravidade quântica prevêem que o espaço-tempo tem uma estrutura espumosa (veja concepção do artista, acima), com pequenas bolhas que estão em constante flutuação. Essas bolhas - que são quatrilhões de vezes menores que os núcleos atômicos e duram por frações infinitesimais de um segundo (muito mais curto do que as rajadas de femtossegundos dos lasers mais rápidos) - devem ser descritos por dimensões adicionais.
Porque estas bolhas são tão pequenas e duram tão pouco tempo, eles nunca pode ser observado diretamente. Mas elas afetariam a luz de uma forma interessante: por causa da natureza flutuante do espaço-tempo, cada fóton tomaria um caminho um pouco diferente para nós, e, portanto, a distância que viaja seria diferente. Nós ainda nunca poderia observar um único deflexão imposta pela espuma quântica. Mas se você observar um objeto muito distante, cada fóton vai passar por muitas dessas flutuações, e as flutuações poderia somar - embora exatamente como depende do modelo da gravitação quântica. Estas flutuações, então, fazer com que as frentes de onda que observamos a ser distorcida sempre assim ligeiramente. Se as distorções acumuladas se tornar comparável ao comprimento de onda da luz que estamos observando, seria impossível formar uma imagem, não importa quão bom o seu telescópio é - assim como tentar distinguir sons emitidos por muitos altifalantes fora de fase, eles se tornaria o ruído puro.
Este foi o efeito que queríamos procurar, que trabalhos anteriores não haviam descrito corretamente. Modelamos estes efeitos, e depois usou observações dos quasares distantes pelo Observatório de raios-X Chandra, o telescópio espacial Fermi Gamma-ray , eo muito enérgico Sistema Telescope Array Imagem radiação, conhecida como VERITAS, a olhar para imagens de arquivo do mais distante quasares. Queríamos olhar nos raios-X e raios gama por causa de seu comprimento de onda curta - o que nos permite possivelmente observar as menores possíveis distorções nas frentes de onda pela gravidade quântica. Mas mesmo os mais distantes quasares (veja exemplos abaixo) parecem formar raios-X e raios gama imagens nítidas. Dois modelos de espuma quântica havia previsto que estas imagens desapareceria em comprimentos de onda curtos. Imagens de raios-X regras de Chandra fora um modelo, de acordo com o qual fotões difundir aleatoriamente através de espuma de espaço-tempo de uma maneira semelhante à difusão de luz através da névoa. E imagens de raios gama com Fermi e Veritas, demonstram que um chamado modelo holográfico com menos de difusão não funciona.
Então onde é que isto nos deixa? O espaço-tempo parece ser bom, pelo menos em escalas de 10-16 cm, mil vezes menor do que um núcleo atômico, e espaço-tempo deve ser muito menos do que a maioria dos modelos espumoso prever. E, agora o único modelo que parece prender-se, prevê que as flutuações espaço-tempo deve ser anti-correlacionados uns com os outros e por isso não gostaria de acrescentar-se a longas distâncias. Embora filosoficamente, pode ser reconfortante para não ter de pensar do espaço-tempo como tendo uma natureza espumoso que pode afetar a habilidade de ver objetos distantes, em outro nível que torna a estrutura de pequena escala do universo ainda mais intrigante.
O Galaxy diário via Eric Perlman e Megan Watzke / Chandra.Harvard.edu
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