Naukowcy ustalili nową górną granicę masy światła. Według pomiarów pulsujących gwiazd w Drodze Mlecznej oraz tajemniczych sygnałów radiowych z innych galaktyk, cząstka światła – zwana fotonem – może ważyć nie więcej niż 9,52 × 10^-46 kilogramów.
Jest to niewielka granica, ale odkrycie, że światło ma jakąkolwiek masę, miałoby ogromny wpływ na naszą interpretację Wszechświata oraz nasze zrozumienie fizyki. Fotony są zazwyczaj opisywane jako cząstki bezmasowe. Te dyskretne ilości energii przemierzają czasoprzestrzeń z stałą prędkością, niezdolne do przyspieszenia lub zwolnienia w próżni. Ta stała prędkość implikuje bezmasowość i nie ma na to dowodów przeciwnych.
Jednakże, nie wiemy na pewno, że fotony są całkowicie bezmasowe. Niezerowa masa miałaby głębokie implikacje, sprzeciwiałaby się teorii względności Einsteina i teorii elektromagnetyzmu Maxwella, prawdopodobnie prowadząc do nowej fizyki i odpowiadając na niektóre z największych pytań dotyczących Wszechświata, choć stawiając przy tym wiele nowych.
Gdyby foton miał masę, musiałaby być ona ekstremalnie mała, aby nie miała dużego wpływu na wygląd Wszechświata, co oznacza, że nie mamy narzędzi, aby ją bezpośrednio zmierzyć. Możemy jednak dokonywać pomiarów pośrednich, które dadzą nam górną granicę dla tej hipotetycznej masy, i dokładnie to zrobiła grupa astronomów.
Zespół z Uniwersytetu Nauki i Inżynierii w Syczuanie, Chińskiej Akademii Nauk oraz Uniwersytetu Nankińskiego przeanalizował dane zebrane przez Parkes Pulsar Timing Array oraz dane dotyczące szybkich błysków radiowych z różnych źródeł, aby określić, jak ciężkie może być światło.
Pulsar timing array to zestaw anten radioteleskopowych monitorujących gwiazdy neutronowe, które wysyłają pulsujące wiązki promieniowania elektromagnetycznego z niezwykle precyzyjnymi milisekundowymi pulsarami. Szybkie błyski radiowe to niezwykle silne wybuchy światła o nieznanym pochodzeniu, wykrywane na ogromnych międzygalaktycznych odległościach.
Badacze skupili się na właściwości zwanej miarą dyspersji, kluczowej cechy pulsarów i szybkich błysków radiowych. Odnosi się ona do tego, jak bardzo ściśle pulsowana wiązka światła radiowego jest rozpraszana przez wolne elektrony między nami a źródłem światła.
Gdyby fotony miały masę, ich propagacja przez przestrzeń napełnioną plazmą byłaby wpływana zarówno przez masę, jak i wolne elektrony w plazmie. To prowadziłoby do opóźnienia czasu proporcjonalnego do masy fotonu.
Pulsar timing array szuka opóźnień w pulsach pulsarów w odniesieniu do siebie nawzajem. W szczególności w ultradługim paśmie częstotliwości efekty dyspersji mogą być minimalizowane, co pozwala badaczom obliczyć, ile opóźnienia może być spowodowane przez hipotetyczną masę fotonu.
Odwzorowanie sygnałów z szybkich błysków radiowych również może ujawnić opóźnienie proporcjonalne do masy fotonu.
Dzięki dokładnemu badaniu tych danych, zespół mógł wyznaczyć górną granicę na poziomie 9,52 × 10^-46 kilogramów (lub, w równoważnej energii, 5,34 × 10^-10 elektronowoltów c^-2). To nie oznacza, że foton ma masę, tylko że mamy nową granicę, w której masa może się mieścić, jeśli istnieje.
„To pierwszy raz,” piszą autorzy, „gdy wzięto pod uwagę i obliczono interakcję między niezerową masą fotonu a medium plazmowym podczas propagacji fotonu przez to medium plazmowe.”
To nieznacznie niższa wartość od pomiaru opublikowanego w 2023 roku, ale jest to ulepszenie. Oznacza to, że naukowcy badający efekty hipotetycznej masy fotonu mają bardziej precyzyjny zakres do działania.
Badanie demonstruje również potrzebę wysoce precyzyjnych radioteleskopów. Nie jesteśmy w stanie zważyć fotonu w najbliższym czasie, ale uzyskiwanie coraz wyższej jakości danych pozwoli nam zawęzić pomiar i jego potencjalne efekty na otaczający nas Wszechświat.
Źródło: Science Alert
