Фотон-нарушитель: как частица от «самого яркого взрыва» бросила вызов Эйнштейну

Фотон, или частица света, от крупнейшего космического взрыва со времен Большого взрыва, получившего прозвище «BOAT» (от англ. brightest of all time — самый яркий за всю историю), не должен был достичь Земли. То есть если только он не нарушил правила, установленные Эйнштейном. Теперь ученые, возможно, знают, как ему это удалось: новое исследование предполагает, как высокоэнергетический фотон мог пережить путешествие длиной более двух миллиардов световых лет, не будучи поглощенным.

BOAT — гамма-всплеск, официально обозначенный GRB 221009A, — был впервые обнаружен 9 октября 2022 года. Среди океана фотонов от этого события, пролившихся на нашу планету, был самый высокоэнергетический фотон, когда-либо зарегистрированный от гамма-всплеска. Он был обнаружен установкой Carpet — детектором космических лучей сверхвысоких энергий, расположенным в Баксанской обсерватории на российском Кавказе.

Проблема в том, что согласно всем текущим законам физики частица с такой высокой энергией не должна достигать Земли от взрыва, произошедшего на таком огромном расстоянии. Дело в том, что космос не пуст: он заполнен «ископаемым» радиационным полем фотонов, оставшихся от времени сразу после Большого взрыва, называемым космическим микроволновым фоном (CMB). Должно быть практически невозможно, чтобы высокоэнергетический фотон пролетел 2 миллиарда световых лет, не взаимодействуя с фотоном CMB и не трансформируясь. И все же он пришел.

«Мы начали с очень простого вопроса: как этот фотон пережил путешествие, которое, согласно известной физике, должно было его уничтожить? — сказал в заявлении руководитель команды Джорджо Галанти из Итальянского национального института астрофизики (INAF). — Новые данные эксперимента Carpet показали нам, что предложенные до сих пор объяснения больше не достаточны».

«Поэтому мы искали теоретический сценарий, способный последовательно описать то, что мы наблюдаем, не прибегая к произвольным поправкам в уравнениях».

Гипотетическая трансформация

Чтобы исследовать загадку того, как этот высокоэнергетический фотон достиг нашей планеты, Галанти и его коллеги обратились к невероятно легким гипотетическим частицам, называемым аксионоподобными частицами (ALP).

ALP могли бы служить решением этой головоломки через механизм, позволяющий фотонам превращаться в ALP во время путешествия, а затем снова превращаться в фотоны при достижении Млечного Пути. Проблема в том, что это все еще не может объяснить такой высокоэнергетический фотон.

Команда объединила идею ALP с предложенным нарушением одного из фундаментальных принципов специальной теории относительности Эйнштейна 1905 года, называемого «лоренц-инвариантностью».

Кратко: лоренц-инвариантность гласит, что наблюдатели, движущиеся с разными скоростями, должны испытывать одни и те же физические законы. Команда проверила идею о том, что лоренц-инвариантность может нарушаться при высоких энергиях, изменяя таким образом распространение фотонов в пространстве.

В сценарии, разработанном командой, фотон избежал бы уничтожения при взаимодействии с CMB, поскольку избегал бы взаимодействия с этими ископаемыми фотонами.

Таким образом, новое исследование подразумевает, что при достаточно высоких энергиях фотоны могут использовать «быструю полосу» через прозрачную Вселенную, уклоняясь от физики, которая обычно вынуждает их к разрушительной трансформации.

Интересно, что есть некоторые свидетельства, связанные с BOAT, которые, по-видимому, подтверждают эту теорию. Согласно картине, разработанной командой, этот высокоэнергетический фотон должен был прибыть на Землю примерно через час после менее энергетических частиц света, исходящих от BOAT. И действительно, именно это и произошло.

«Самый интересный аспект нашей работы в том, что она впервые объединяет две идеи, которые до сих пор разрабатывались отдельно, — сказал участник команды Марко Ронкаделли из Национального института ядерной физики (INFN). — Если будущие наблюдения подтвердят этот сценарий, Вселенная станет естественной лабораторией для изучения квантовой гравитации при энергиях, колоссально превышающих достижимые любым ускорителем, построенным на Земле».

Исследование команды доступно на репозитории arXiv и принято к публикации в журнале Physical Review Letters.

Фотон, который не должен был выжить

История BOAT — это история о том, как Вселенная оказывается страннее, чем мы думаем.

В 2022 году астрономы зафиксировали самый мощный гамма-всплеск за всю историю наблюдений. Он был настолько ярким, что ослепил большинство детекторов. Но одна частица — один фотон — оказалась особенной.

Его энергия была настолько высокой, что по всем правилам физики он должен был столкнуться с фотоном реликтового излучения и распасться на электрон-позитронную пару задолго до достижения Земли.

Но он долетел. И это не просто аномалия — это вызов всей современной физике.

Объяснение, предложенное командой Галанти, звучит как научная фантастика: фотон превращался в гипотетическую частицу ALP, которая не взаимодействует с реликтовым излучением, а затем снова становился фотоном. Но для этого требуется нарушение лоренц-инвариантности — одного из краеугольных камней теории относительности.

Если это подтвердится, последствия огромны. Лоренц-инвариантность — основа специальной теории относительности. Ее нарушение означало бы, что при超高 энергиях пространство-время ведет себя иначе, чем мы думали.

Более того, задержка фотона на час по сравнению с менее энергетическими частицами — именно то, что предсказывает теория. Это не совпадение, а возможное подтверждение.

Для физиков это шанс изучать квантовую гравитацию — неуловимую теорию, объединяющую квантовую механику и гравитацию — используя саму Вселенную как лабораторию.

Для остальных это напоминание: даже через сто лет после Эйнштейна Вселенная продолжает удивлять.

Источники: исследование на arXiv, принятое к публикации в Physical Review Letters, заявления Джорджо Галанти и Марко Ронкаделли.