Как свет от самой яркой космической вспышки обошел законы физики

В октябре 2022 года астрономы зафиксировали гамма-всплеск, получивший название GRB 221009A, который стал самым ярким событием, наблюдаемым с момента Большого взрыва. Это событие, прозванное "BOAT" (Brightest of All Time), привлекло внимание ученых не только своей яркостью, но и тем, что один из фотонов, исходящих от него, достиг Земли, несмотря на все законы физики, которые утверждают, что это невозможно.

Уникальный фотон из далекой галактики

Фотон, о котором идет речь, был зарегистрирован детектором Carpet, расположенным в Баксанской обсерватории в Кавказских горах России. Этот фотон стал самым высокоэнергетическим, когда-либо обнаруженным из гамма-всплеска. По всем известным законам физики, такой высокоэнергетический фотон не должен был бы дойти до Земли, так как он должен был бы взаимодействовать с фоновым излучением, оставшимся от Большого взрыва, известным как космическое микроволновое фоновое излучение (CMB).

Проблема взаимодействия с CMB

Космическое микроволновое фоновое излучение представляет собой "фоссильное" излучение, которое заполнило пространство после Большого взрыва. Оно состоит из фотонов, которые, по идее, должны были бы взаимодействовать с высокоэнергетическими фотонами, превращая их в другие частицы. Однако, как показали новые исследования, этот фотон каким-то образом смог избежать этого взаимодействия.

Исследование загадки

Георгий Галанти, руководитель исследовательской группы из Итальянского национального института астрофизики (INAF), отметил, что команда начала с простого вопроса: "Как этот фотон выжил в путешествии, которое, согласно известной физике, должно было его уничтожить?". Новые данные, полученные в ходе эксперимента Carpet, показали, что ранее предложенные объяснения не были достаточными.

Гипотетические частицы и новые теории

Для объяснения того, как этот высокоэнергетический фотон смог достичь Земли, команда обратилась к гипотетическим частицам, известным как аксионоподобные частицы (ALPs). Эти частицы могут служить решением загадки, позволяя фотонам преобразовываться в ALPs во время их путешествия и затем обратно в фотоны, когда они достигают Млечного Пути. Однако это все еще не объясняет, как мог дойти такой высокоэнергетический фотон. Команда объединила идею ALPs с предложением о нарушении одного из основополагающих принципов специальной теории относительности Эйнштейна, известного как "инвариантность Лоренца". Этот принцип утверждает, что наблюдатели, движущиеся с разными скоростями, должны испытывать одни и те же физические законы. Исследователи проверили идею о том, что инвариантность Лоренца может быть нарушена на высоких энергиях, что изменяет способ, которым фотоны распространяются в пространстве.

Быстрая дорожка для фотонов

В сценарии, разработанном командой, фотон мог бы избежать уничтожения, уклоняясь от взаимодействий с фоновыми фотонами. Новое исследование предполагает, что на достаточно высоких энергиях фотоны могут использовать "быструю дорожку" через прозрачную вселенную, избегая физики, которая обычно приводит к их разрушительной трансформации.

Подтверждение теории

Интересно, что есть некоторые данные, относящиеся к BOAT, которые, кажется, подтверждают эту теорию. Согласно разработанной командой модели, этот высокоэнергетический фотон должен был прибыть на Землю примерно через час после более низкоэнергетических частиц света, исходящих от BOAT. И действительно, это именно то, что произошло.

Перспективы будущих исследований

"Самый интересный аспект нашей работы заключается в том, что, впервые, она объединяет две идеи, которые до сих пор развивались отдельно", — отметил Марко Ронкаделли из Национального института ядерной физики (INFN). Если будущие наблюдения подтвердят этот сценарий, вселенная станет естественной лабораторией для изучения квантовой гравитации на энергиях, значительно превышающих те, которые могут быть достигнуты на любых ускорителях, построенных на Земле. Исследование команды доступно на репозиторном сайте arXiv и было принято к публикации в журнале Physical Review Letters.