Рекордный фотон из глубин Вселенной бросил вызов теории Эйнштейна

В журнале Physical Review Letters была опубликована работа итальянских астрофизиков Джорджо Галанти из Национального института астрофизики и Марко Ронкаделли из Национального института ядерной физики. Ученые заявили, что им удалось найти возможное объяснение тому, как фотон с рекордной энергией в 300 тераэлектронвольт сумел долететь до Земли из далекого гамма-всплеска, расположенного в 2 миллиардах световых лет, хотя по законам физики он должен был исчезнуть намного раньше. Исследователи предложили объединенную модель, которая впервые связывает гипотетические частицы с возможным нарушением теории относительности Эйнштейна в экстремальных условиях.

В центре внимания ученых оказалось событие, которое астрономы уже окрестили BOAT, что означает «самый яркий за всю историю» (анг. Brightest Of All Time). Речь идет о гамма-всплеске GRB 221009A, вспыхнувшем 9 октября 2022 года на расстоянии примерно 2 миллиардов световых лет от нас. Тогда детекторы по всему миру зафиксировали мощнейший поток света, но один из фотонов, пойманных российской обсерваторией Carpet на Кавказе, оказался настоящим рекордсменом по энергии. Комплекс Carpet является частью Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН.

Проблема в том, что согласно современной физике такой фотон попросту не должен был долететь до нашей планеты. Вселенная, хоть и кажется пустой, на самом деле пронизана реликтовым излучением, оставшимся после Большого взрыва. Это излучение действует как густой лес: путешествующий фотон с высокой энергией постоянно сталкивается с его частицами и в этих столкновениях превращается в другие элементарные частицы, рассеиваясь в пространстве. Чтобы добраться до Земли из такой дали, фотону нужно пройти сквозь этот лес, не задев ни одного дерева, а вероятность этого ничтожно мала. Тем не менее, он достиг цели, и это противоречие заставило исследователей искать новые объяснения.

До сих пор одним из популярных сценариев были так называемые аксионоподобные частицы – сверхлегкие гипотетические объекты, в которые фотоны могут временно перевоплощаться во время своего долгого путешествия. В этой модели фотон превращается в такую частицу, которая не взаимодействует с реликтовым светом, а затем, уже рядом с нашей галактикой, снова становится самим собой.

Такой механизм неплохо работал для энергий до нескольких десятков тераэлектронвольт, но для гигантской цифры в 300 ТэВ его оказалось недостаточно. Тогда Галанти и Ронкаделли пошли дальше и впервые соединили идею аксионоподобных частиц с другой, более смелой гипотезой. Они предположили, что в столь экстремальных условиях может слегка нарушаться один из краеугольных камней теории относительности Эйнштейна – так называемая лоренцевская инвариантность, которая утверждает, что законы физики одинаковы для всех наблюдателей независимо от их скорости. В некоторых квантовых моделях гравитации допускается, что при сверхвысоких энергиях это свойство может давать небольшие сбои, которые кардинально меняют поведение фотонов в космическом пространстве.

Согласно новой модели, фотон с энергией 300 ТэВ как бы находит для себя особый коридор, в котором он перестает быть уязвимым для реликтового излучения. Вселенная для него становится куда более прозрачной, чем это предсказывает стандартная физика. Он не нарушает общие законы, а просто попадает в режим, где начинают проявляться эффекты, недоступные для частиц с меньшей энергией.

Самое же интригующее в том, что эта модель не ограничивается одной лишь «выживаемостью» рекордного фотона. Она предсказывает еще один наблюдаемый эффект: из-за того же самого изменения в распространении такой сверхэнергичный фотон должен прибыть на Землю с задержкой примерно на один час по сравнению со своими менее энергичными собратьями. И именно эту задержку зафиксировала китайская обсерватория LHAASO, наблюдавшая тот же всплеск. Так что исследование объясняет не один парадокс, а сразу два взаимосвязанных явления, что делает предложенный сценарий гораздо более убедительным.

Итог работы итальянских ученых заключается в том, что они предложили единое теоретическое объяснение для двух загадочных особенностей самого яркого гамма-всплеска в истории. Впервые две разрозненные идеи – о превращении фотонов в гипотетические частицы и о возможном нарушении относительности на предельных энергиях, были объединены в одну стройную модель.

Если дальнейшие наблюдения подтвердят этот сценарий, то далекий космос превратится в гигантскую лабораторию, где можно изучать квантовые эффекты гравитации при энергиях, недостижимых ни для одного земного ускорителя частиц. Однако пока речь идет лишь о первом убедительном совпадении теории и наблюдений, и для окончательного подтверждения или опровержения этой красивой гипотезы астрофизикам потребуются новые, еще более точные данные с различных детекторов по всему миру.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях