Rekordowy foton z kosmosu złamał zasady, których łamać nie powinien

Pojedyncza cząstka promieniowania o energii sięgającej 300 TeV przemierzyła Wszechświat na dystansie około 2 mld lat świetlnych. Zgodnie z obowiązującym opisem propagacji promieniowania gamma taka podróż powinna zakończyć się dużo wcześniej – kosmiczne tło powinno pochłonąć foton po drodze. Mimo to rosyjski detektor Carpet-3 odnotował sygnał, który wygląda dokładnie tak, jakby ta rekordowa porcja światła dotarła do nas z najjaśniejszego zarejestrowanego dotąd rozbłysku gamma. Zespół badawczy proponuje wyjaśnienie wykraczające poza standardowy model fizyki.

Punktem wyjścia był najpotężniejszy rozbłysk, jaki kiedykolwiek zaobserwowano

9 października 2022 roku instrumenty astronomiczne uchwyciły zjawisko oznaczone jako GRB 221009A. Blask był na tyle intensywny, że środowisko naukowe szybko nadało mu przydomek BOAT – od Brightest Of All Time. Redakcja Spider's Web opisywała to wydarzenie już kilka dni po jego zarejestrowaniu. Źródło rozbłysku znajdowało się w odległości około 2 mld lat świetlnych od naszej planety, a poziom promieniowania był tak wysoki, że zjawisko wybijało się nawet na tle innych, z natury ekstremalnie energetycznych eksplozji kosmicznych.

Chińskie obserwatorium LHAASO odnotowało dziesiątki tysięcy fotonów o skrajnie wysokich energiach, z których część przekraczała kilkanaście TeV – co samo w sobie stanowiło rzadkość. Prawdziwe zaskoczenie przyniosły jednak dane z rosyjskiego eksperymentu Carpet-3. Około 4536 sekund po głównym impulsie, czyli mniej więcej 76 minut później, urządzenie zarejestrowało kaskadę atmosferyczną odpowiadającą fotonowi o energii 300 TeV, przy niepewności rzędu +43/-38 TeV. Jest to najwyższa energia, jaką kiedykolwiek powiązano z fotonem pochodzącym z rozbłysku gamma.

Wartość 300 TeV oznacza 300 bilionów elektronowoltów. Dla porównania – foton światła widzialnego niesie zaledwie kilka elektronowoltów energii. Cząstka z GRB 221009A była zatem około 100 bilionów razy bardziej energetyczna niż foton docierający do naszego oka ze zwykłej żarówki. W kategoriach codziennych jednostek 300 TeV to wciąż niewiele – odpowiednik kilkudziesięciu mikrodżuli. Cała ta energia skupiła się jednak w jednej, pojedynczej cząstce światła, a to właśnie rodzi problem – Wszechświat nie jest dla takiego promieniowania pustą i przezroczystą przestrzenią.

Po drodze foton powinien zderzyć się z pozostałością po Wielkim Wybuchu

Przestrzeń kosmiczną wypełnia mikrofalowe promieniowanie tła, znane jako CMB – bardzo chłodna pozostałość po wczesnych etapach istnienia Wszechświata. Dla światła widzialnego jest ono niemal niewidoczne, ale dla fotonu gamma o energii setek TeV staje się realną przeszkodą.

Wysokoenergetyczny foton, zderzając się z fotonem tła, może doprowadzić do powstania pary cząstek: elektronu i pozytonu. W takim procesie pierwotny foton gamma przestaje istnieć, a jego energia przechodzi na nowo powstałe cząstki. Przy odpowiednio wysokich energiach prawdopodobieństwo takiego zjawiska na dystansach kosmologicznych jest bardzo duże.

Foton pokonujący dystans około 2 mld lat świetlnych powinien więc zostać zaabsorbowany na długo przed dotarciem do Drogi Mlecznej. Autorzy nowej analizy wprost mówią o wyraźnej sprzeczności między obserwacją a konwencjonalnym modelem propagacji promieniowania. Zjawisko można porównać do wystrzelenia strzały przez las rozciągający się na miliardy lat świetlnych, z założeniem, że nie trafi ona w żadne drzewo.

Wcześniej próbowano rozwiązać ten problem, sięgając po koncepcję ALP, czyli axion-like particles – hipotetycznych, wyjątkowo lekkich cząstek przypominających pod pewnymi względami aksjony. W odpowiednim polu magnetycznym foton mógłby przekształcić się w ALP, przebyć część drogi jako cząstka znacznie słabiej reagująca z promieniowaniem tła, a następnie ponownie zmienić się z powrotem w foton.

Taki mechanizm sprawdza się nieźle przy energiach rzędu kilku lub kilkunastu TeV i był wcześniej wykorzystywany do tłumaczenia najbardziej energetycznej części sygnału z GRB 221009A. Przy 300 TeV przestaje on jednak wystarczać. Giorgio Galanti z INAF oraz Marco Roncadelli z INFN wykazują w nowej pracy, że modele opierające się wyłącznie na ALP bardzo słabo tłumaczą obserwację Carpet-3. Potrzebny okazuje się dodatkowy element układanki.

Możliwe, że przy skrajnych energiach światło zachowuje się inaczej niż zakładamy

Naukowcy wprowadzili do modelu możliwość naruszenia niezmienniczości Lorentza, oznaczaną skrótem LIV. Niezmienniczość Lorentza to jeden z filarów szczególnej teorii względności – w uproszczeniu gwarantuje ona, że podstawowe prawa fizyki wyglądają identycznie dla wszystkich obserwatorów poruszających się ruchem jednostajnym, a prędkość światła w próżni pozostaje stałą wartością.

Część modeli próbujących połączyć mechanikę kwantową z grawitacją zakłada jednak, że przy ekstremalnie wysokich energiach ta symetria może zostać nieznacznie zaburzona. W codziennym świecie taki efekt byłby całkowicie niewykrywalny. Jednak przy fotonie o energii setek TeV, który pokonuje miliardy lat świetlnych, nawet znikoma różnica może zacząć odgrywać rolę. Zmodyfikowana zależność między energią a pędem fotonu mogłaby przesunąć próg, przy którym promieniowanie gamma zamienia się w parę elektron-pozyton. Dla najwyższych energii Wszechświat stawałby się wówczas bardziej przezroczysty.

Ten scenariusz nie powstał wyłącznie po to, by uzasadnić fakt przetrwania fotonu. Przewiduje on również zmianę czasu, w jakim wysokoenergetyczne promieniowanie dociera do obserwatora. Według wyliczeń foton o energii około 300 TeV powinien pojawić się mniej więcej godzinę później niż promieniowanie o niższej energii zarejestrowane przez LHAASO. Tymczasem Carpet-3 zarejestrował swoje zdarzenie około 76 minut po głównym rozbłysku.

To oczywiście nie jest prosty zegar mierzący naruszenie teorii względności. Sam rozbłysk jest zjawiskiem złożonym, a fotony o różnych energiach mogły zostać wyemitowane w różnych momentach. Konieczne jest więc rozdzielenie opóźnienia wynikającego z podróży fotonu od opóźnienia powstałego już w samym źródle. Autorzy pracy przekonują jednak, że połączenie mechanizmu ALP z odpowiednim wariantem LIV pozwala spójnie opisać zarówno fotony zarejestrowane przez LHAASO, jak i rekordowe zdarzenie z Carpet-3.

Zanim odrzucimy teorię Einsteina, warto przyjrzeć się jednej liczbie

Carpet-3 nie zarejestrował fotonu w taki sposób, w jaki aparat rejestruje pojedynczą kroplę deszczu. Foton gamma trafia w atmosferę i wywołuje ogromną kaskadę wtórnych cząstek, którą wykrywa naziemna aparatura. Analiza danych wykazała, że prawdopodobieństwo, iż kaskadę wywołała zwykła cząstka hadronowa, wynosi około 3 x 10^-4. Charakterystyka zdarzenia bardzo dobrze pasuje więc do fotonu.

Osobną kwestią pozostaje potwierdzenie, czy sygnał rzeczywiście pochodził z GRB 221009A. Zespół Carpet-3 oszacował prawdopodobieństwo przypadkowej zbieżności czasu i kierunku na około 0,9 procent. To niewiele, co czyni ten związek szczególnie interesującym, jednak nie stanowi to dowodu absolutnie pewnego. Sam zespół detektora ostrożnie opisuje to zdarzenie jako najwyższą energię prawdopodobnie powiązaną z rozbłyskiem gamma.

Nowa publikacja ukazała się w czasopiśmie Physical Review Letters, a więc przeszła proces recenzji naukowej. Mimo to pozostaje jedynie propozycją interpretacji nietypowej obserwacji, a nie potwierdzonym odkryciem naruszenia niezmienniczości Lorentza. Nie udało się też bezpośrednio wykryć cząstek ALP.

W efekcie mamy dwa hipotetyczne elementy nowej fizyki oraz jedno ekstremalne zdarzenie, które zachowuje się tak, jakby standardowy model propagacji promieniowania gamma miał z nim poważny problem. To zbyt mało, by mówić o rewizji podręczników fizyki. Wystarczy jednak, by dokładnie wiedzieć, w jakim kierunku prowadzić dalsze poszukiwania.

Źródło: Spider's Web