Мощнейший за всю историю фотон от гамма-всплеска был зарегистрирован в Баксанской обсерватории. Его источник находится в 2 миллиардах световых лет от нас, которые эта частица, несмотря на ее колоссальную энергию, не должна была преодолеть. Как ей это удалось, объяснили итальянские физики в журнале Physical Review Letters.
Гипотеза Джорджо Галанти и Марко Ронкаделли из Национального института ядерной физики Италии состоит в том, что в экстремальных условиях пространство-время может вести себя иначе, чем предсказывает теория относительности Эйнштейна.
Ярчайший из всех зарегистрированных гамма-всплесков был зафиксирован 9 октября 2022 года и получил обозначение GRB 221009A. Астрофизики называют его BOAT (Brightest Of All Time — «ярчайший за все время»). Фотон от этой вспышки с энергией 300 ТэВ был уловлен детектором сверхвысокоэнергетических космических лучей «Ковер» на Северном Кавказе.
По законам физики рекордный фотон не мог долететь до Земли — Вселенная же не пустая: на пути странник должен был взаимодействовать с реликтовым микроволновым фоном, превратиться в другие частицы и исчезнуть. Это все равно что пустить стрелу сквозь невероятно густой лес протяженностью в 2 миллиарда световых лет и рассчитывать, что она пролетит сквозь, не задев ни одного дерева. Тем не менее, факт налицо — фотон прибыл.
В последние годы одним из возможных решений этой проблемы служили аксионоподобные частицы (ALP) — гипотетические сверхлегкие частицы. По этой гипотезе, фотоны по пути могут временно превращаться в ALP, а в окрестностях Млечного Пути — обратно в фотоны. Такой механизм объясняет наблюдения фотонов с энергией до десятков тераэлектронвольт, однако его недостаточно, чтобы объяснить появление фотона с энергией 300 ТэВ.
Сбой теории относительности
«Мы отталкивались от очень простого вопроса: как этот фотон пережил путешествие, которое, согласно известной физике, должно было его уничтожить? Новые данные, полученные на установке “Ковер”, показали, что прежних объяснений недостаточно. Поэтому мы искали теоретический сценарий, который позволил бы непротиворечиво описать все, что мы наблюдаем, и при этом не прибегать к произвольным поправкам в уравнениях», — говорит Галанти.
В своей статье авторы впервые объединили механизм с ALP с возможным нарушением лоренц-инвариантности — одного из фундаментальных принципов специальной теории относительности Эйнштейна. Согласно некоторым моделям квантовой гравитации, при предельно высоких энергиях это свойство может слегка видоизменяться, что меняет характер распространения фотонов в пространстве.
В таком сценарии фотон умудряется избежать тех взаимодействий, которые по стандартной физике должны были бы его уничтожить в пути. При таких исключительных энергиях Вселенная становится гораздо более «прозрачной», что и позволяет частице достичь Земли.
На практике, согласно новой модели, фотон как бы находит для себя некую «полосу быстрого движения» сквозь Вселенную. Это не означает, что законы физики вообще меняются, но указывает на то, что при столь высоких энергиях могут действовать эффекты, которых мы раньше не наблюдали.
Две стороны одного явления
Особенно интересными эти выкладки делает один нюанс: по расчетам, фотон должен прилететь примерно на час позже, чем его менее энергичные собратья от той же вспышки. И что примечательно — так оно и было: китайская обсерватория LHAASO зарегистрировала их действительно на 1 час 15 минут раньше.
«Самое интересное, что нам впервые удалось объединить две идеи, которые до сих пор развивались по отдельности. Если будущие наблюдения подтвердят этот сценарий, Вселенная станет естественной лабораторией для изучения квантовой гравитации при энергиях, неизмеримо превышающих достижимые на любых ускорителях, построенных на Земле», — добавляет Ронкаделли.
Таким образом, предложенная модель с помощью одного объяснения охватывает сразу два разных явления — выживание самого высокоэнергетичного фотона из когда-либо наблюденных при гамма-всплеске и его запаздывание по сравнению с фотонами меньшей энергии. Тем не менее, несмотря на всю красоту и стройность теории, она нуждается в дополнительной проверке.