Ten foton nie powinien dotrzeć do Ziemi. A jednak dotarł

Najbardziej energetyczny foton powiązany z rozbłyskiem gamma przetrwał podróż, której według standardowych modeli nie miał prawa przetrwać.

Przez około 2 mld lat przez Wszechświat leciała pojedyncza porcja światła o energii około 300 TeV. Problem w tym, iż według standardowego opisu propagacji promieniowania gamma nie powinna przeżyć choćby niewielkiej części tej drogi. Kosmiczne promieniowanie tła powinno ją pochłonąć. Tymczasem detektor Carpet-3 zarejestrował zdarzenie wyglądające dokładnie tak, jakby rekordowy foton dotarł do nas z najjaśniejszego znanego rozbłysku gamma. Naukowcy proponują teraz wyjaśnienie, które zahacza już o fizykę poza standardowym obrazem.

Wszystko zaczęło się od najjaśniejszego rozbłysku w historii

Dokładnie 9 października 2022 r. teleskopy zarejestrowały GRB 221009A. Rozbłysk był tak jasny, iż astronomowie gwałtownie ochrzcili go BOAT – Brightest Of All Time. Na Spider’s Web pisaliśmy o nim już kilka dni po odkryciu. Źródło znajdowało się około 2 mld lat świetlnych od Ziemi, a promieniowanie było tak intensywne, iż rozbłysk wyróżniał się choćby na tle zjawisk, które z definicji należą do najbardziej energetycznych eksplozji we Wszechświecie.

Chińskie obserwatorium LHAASO wykryło dziesiątki tysięcy fotonów o bardzo wysokich energiach. Część sięgała kilkunastu TeV, co samo w sobie było wyjątkowe. Jeszcze większa niespodzianka pojawiła się w danych rosyjskiego eksperymentu Carpet-3. Około 4536 s po głównym sygnale, czyli mniej więcej 76 min później, detektor zarejestrował atmosferyczną kaskadę pasującą do fotonu o energii 300 TeV, z niepewnością wynoszącą około +43/-38 TeV. To najwyższa energia, jaką kiedykolwiek przypisano fotonowi powiązanemu z rozbłyskiem gamma.

300 TeV oznacza 300 bln elektronowoltów. Pojedynczy foton zwykłego światła widzialnego ma energię rzędu kilku elektronowoltów. Ten z GRB 221009A był więc około 100 bln razy bardziej energetyczny niż foton, który trafia do naszego oka z żarówki. W wartościach znanych z codziennego życia przez cały czas nie brzmi to imponująco – około 300 TeV odpowiada zaledwie kilkudziesięciu mikro­dżulom. Cała ta energia została jednak skoncentrowana w jednej cząstce światła. I właśnie dlatego zaczyna się problem. Wszechświat nie jest dla takiego promieniowania pustą, przezroczystą przestrzenią.

Po drodze powinien zderzyć się ze światłem po Wielkim Wybuchu

Całą przestrzeń kosmiczną wypełnia mikrofalowe promieniowanie tła, czyli CMB. To bardzo chłodne promieniowanie będące pozostałością po wczesnym Wszechświecie. Dla zwykłego światła jest praktycznie przezroczyste. Dla fotonu gamma o setkach TeV staje się jednak przeszkodą.

Wysokoenergetyczny foton może zderzyć się z fotonem tła i doprowadzić do produkcji pary: elektronu i pozytonu. Oryginalny foton gamma wtedy znika, a jego energia zostaje zamieniona na inne cząstki. Przy odpowiednio wysokiej energii prawdopodobieństwo takiego procesu jest ogromne na dystansach kosmologicznych.

Foton lecący około 2 mld lat świetlnych powinien więc zostać pochłonięty długo przed dotarciem do Drogi Mlecznej. Autorzy nowej pracy mówią wprost o silnym konflikcie obserwacji z konwencjonalnym modelem propagacji. Można to porównać do wystrzelenia strzały przez las ciągnący się przez miliardy lat świetlnych i oczekiwania, iż nie trafi w ani jedno drzewo.

Jednym z proponowanych wcześniej sposobów obejścia problemu były ALP, czyli axion-like particles. To hipotetyczne, niezwykle lekkie cząstki podobne pod pewnymi względami do aksjonów. W odpowiednich polach magnetycznych foton mógłby zmienić się w ALP, przelecieć przez część przestrzeni jako cząstka znacznie słabiej oddziałująca z promieniowaniem tła, a następnie ponownie zamienić się w foton.

Taki mechanizm jest interesujący przy promieniowaniu rzędu kilku czy kilkunastu TeV i wcześniej proponowano go właśnie do wyjaśnienia niezwykle energetycznej części sygnału GRB 221009A. Przy 300 TeV przestaje jednak wystarczać. Giorgio Galanti z INAF i Marco Roncadelli z INFN pokazują w nowej pracy, iż analizowane przez nich scenariusze wykorzystujące wyłącznie ALP bardzo słabo radzą sobie z obserwacją Carpet-3. Potrzebny pozostało jeden składnik.

Być może światło przy ogromnych energiach nie zachowuje się dokładnie tak samo

Badacze dodali możliwość naruszenia niezmienniczości Lorentza, w uproszczeniu LIV. Niezmienniczość Lorentza jest jednym z fundamentów szczególnej teorii względności. W dużym uproszczeniu sprawia, iż podstawowe prawa fizyki mają tę samą postać dla obserwatorów poruszających się ruchem jednostajnym, a prędkość światła w próżni pozostaje szczególną stałą.

Niektóre modele próbujące połączyć mechanikę kwantową z grawitacją przewidują jednak, iż przy ekstremalnych energiach ta symetria może być minimalnie naruszona. Efekt byłby kompletnie niezauważalny w codziennym świecie. Przy fotonie o energii setek TeV lecącym przez miliardy lat świetlnych choćby mikroskopijna różnica może jednak zacząć mieć znaczenie. Zmodyfikowana relacja między energią i pędem fotonu może przesunąć próg procesu, w którym promieniowanie gamma zamienia się po zderzeniu na elektron i pozyton. Wszechświat robi się wtedy dla najwyższych energii bardziej przezroczysty.

Scenariusz nie został dopasowany tylko po to, żeby powiedzieć: foton jakoś przeleciał. Przewiduje również zmianę czasu propagacji wysokoenergetycznego promieniowania. Według obliczeń foton około 300 TeV powinien przybyć mniej więcej godzinę później niż mniej energetyczne promieniowanie zarejestrowane przez LHAASO. Carpet-3 zobaczył swoje zdarzenie około 76 min po głównym wybuchu.

Oczywiście nie jest to prosty zegarek mierzący naruszenie teorii względności. Rozbłysk sam w sobie jest skomplikowanym obiektem i fotony o różnych energiach mogą być emitowane w różnych momentach. Trzeba więc oddzielić opóźnienie powstałe podczas podróży od opóźnienia powstałego jeszcze w źródle. Autorzy argumentują jednak, iż kombinacja ALP i odpowiedniego scenariusza LIV potrafi spójnie opisać zarówno fotony LHAASO, jak i rekordowe zdarzenie Carpet.

Zanim wyrzucimy Einsteina, trzeba spojrzeć na jedną liczbę

Carpet-3 nie złapał fotonu jak aparat pojedynczej kropli deszczu. Foton gamma uderza w atmosferę i wywołuje wielką kaskadę cząstek wtórnych, którą rejestruje aparatura na powierzchni. Analiza wykazała, iż prawdopodobieństwo, iż kaskadę spowodowała zwykła cząstka hadronowa, wynosi około 3 x 10^-4. Charakter zdarzenia bardzo dobrze pasuje więc do fotonu.

Osobnym pytaniem pozostaje, czy naprawdę pochodził z GRB 221009A. Carpet-3 oszacował prawdopodobieństwo przypadkowej zgodności czasu i kierunku na około 0,9 proc. To mało i czyni związek bardzo interesującym, ale nie jest równoważne absolutnej pewności. Sama praca detektora ostrożnie mówi więc o najwyższej energii prawdopodobnie związanej z rozbłyskiem gamma.

Nowa publikacja ukazała się w Physical Review Letters, więc przeszła recenzję. przez cały czas jest jednak propozycją interpretacji niezwykłej obserwacji, a nie odkryciem naruszenia niezmienniczości Lorentza. Nie wykryto również ALP.

Mamy więc dwa hipotetyczne elementy nowej fizyki i jedno ekstremalne zdarzenie, które zachowuje się tak, jakby standardowa propagacja promieniowania gamma miała z nim ogromny problem. To za mało, żeby ogłosić zmianę podręczników. Jest jednak wystarczająco dużo, żeby wiedzieć dokładnie, czego szukać dalej.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI