Explozia de raze gamma GRB221009A are o poreclă amuzantă, dar foarte potrivită: BOAT, de la „Brightest Of All Time”, adică „Cea mai strălucitoare din toate timpurile”.
La 2,4 miliarde de ani-lumină de noi, o stea masivă a colapsat într-o supernovă violentă, lansând un jet extrem de radiație direct spre Pământ. Dintre toate particulele detectate, un singur foton a șocat fizicienii: a transportat o energie colosală de aproximativ 300 de teraelectronvolți (TeV) — de sute de trilioane de ori mai mare decât cea a luminii vizibile.
Conform ecuațiilor standard, o asemenea particulă ar fi trebuit să fie spulberată cu mult înainte de a părăsi spațiul intergalactic. Faptul că a atins atmosfera terestră indică fie existența unor particule exotice necunoscute, fie o fisură neașteptată în însăși teoria relativității a lui Albert Einstein.
Spațiul nu e niciodată cu adevărat gol
Dacă ne-am fi aflat aproape de explozie, energia uriașă a acestui foton ar fi fost de așteptat. Problema este drumul. Deși pare un vid absolut, spațiul intergalactic este scăldat într-o mare invizibilă de radiație: radiația cosmică de fond, ecoul termic lăsat în urmă de Big Bang. La un televizor vechi cu tub, aproximativ 1% din zgomotul alb al unui canal fără semnal provenea tocmai din această fosilă de lumină primordială.
Pentru un foton obișnuit, acest ocean este transparent. Însă pentru un foton ultragreu, lumina de fond acționează ca o pâclă de plumb de nepătruns. La fiecare impact frontal, energia pură se transformă în materie, generând o pereche compusă dintr-un electron și un pozitron. Altfel spus, fotonul de mare energie este pur și simplu anihilat. Pe o distanță de 2,4 miliarde de ani-lumină, probabilitatea ca o asemenea particulă să nu lovească nimic și să ajungă intactă la noi era practic zero: e ca și cum ai trage un glonț printr-o pădure deasă și el ar zbura kilometri întregi fără să atingă nicio frunză.
Misterul a explodat după ce datele colectate de instalația Carpet-2 din cadrul Observatorului Baksan din Caucaz au fost reanalizate. Calculele au indicat că particula a atins o energie copleșitoare: aproximativ 300 TeV (300 de trilioane de electronvolți). Dacă la energiile de ordinul zecilor de TeV raportate de observatorul chinez LHAASO anomalia mai putea fi acomodată prin mici artificii teoretice, la 300 TeV barierele fizicii clasice cedează complet: fotonul nu avea nicio cale matematică să supraviețuiască.
„Am pornit de la o întrebare foarte simplă: cum a supraviețuit acest foton unei călătorii care, conform fizicii cunoscute, ar fi trebuit să-l distrugă? Noile date din experimentul Carpet ne-au arătat că explicațiile propuse până acum nu mai erau suficiente. Prin urmare, am căutat un scenariu teoretic capabil să descrie în mod coerent ceea ce observăm, fără a recurge la corecții arbitrare ale ecuațiilor.”, a spus primul autor al studiului, Giorgio Galanti, de la Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), într-o declarație.
O alianță teoretică: particulele-fantomă și o fisură în teoria lui Einstein
Prima piesă a scenariului implică particulele de tip axion (ALP), entități ipotetice considerate candidate la materia întunecată. În prezența câmpurilor magnetice cosmice, un foton gamma se poate metamorfoza temporar într-un astfel de axion. E ca și cum fotonul și-ar pune o pelerină de invizibilitate: devenind o particulă-fantomă neutră, el călătorește nestingherit prin ceața fondului de microunde, iar în apropierea Căii Lactee câmpul magnetic galactic îl transformă înapoi în foton. Problema? Acest truc funcționează la energii medii, dar la 300 TeV își pierde eficiența.
Aici intervine a doua piesă, care zguduie fundamentele relativității restrânse: o violare a invarianței Lorentz (LIV). În viziunea lui Einstein, spațiu-timpul este perfect neted și continuu, iar legile fizicii sunt identice pentru toți observatorii. Însă teoriile gravitației cuantice sugerează că, la scări ultramicroscopice, spațiul are o structură granulară, asemănătoare unei spume. La energii astronomice, această textură modifică regulile coliziunilor: fotonul extrem nu mai poate interacționa cu lumina de fond pentru a forma perechi de particule. Practic, Universul devine dintr-o dată transparent.
Reunite, cele două ipoteze formează un mecanism elegant: axionii protejează fotonii de energii medii, în timp ce granulația cuantică a spațiului deschide un culoar de trecere pentru fotonul gigantic de 300 TeV.
Semnătura din date: misterul fotonilor care au sosit mai târziu
Modelul hibrid propune și un test decisiv: dacă spațiul este cu adevărat granular, viteza luminii în vid nu mai este o constantă rigidă, ci variază insesizabil în funcție de energia fiecărei particule. Fotonii cu energii diferite nu ar trebui să atingă Pământul simultan, ci cei mai puțin energici ar trebui să sosească cu o ușoară întârziere pe distanțe cosmologice. Exact un asemenea decalaj temporal a fost înregistrat în datele exploziei BOAT.
„Cel mai interesant aspect al muncii noastre este că, pentru prima dată, reunește două idei care până acum fuseseră dezvoltate separat. Dacă observațiile viitoare ar confirma acest scenariu, Universul ar deveni un laborator natural pentru studierea gravitației cuantice la energii mult mai mari decât cele care pot fi atinse de orice accelerator construit pe Pământ.”, a adăugat Marco Roncadelli, cercetător la INFN și coautor al studiului.
Evenimentul BOAT a fost o ocazie rarisimă, dar exploziile de raze gamma continuă să trimită semnale din adâncurile cosmosului. Dacă scenariul teoretic formulat de Galanti și Roncadelli va fi confirmat de observațiile viitoare, fotonul de 300 TeV nu va rămâne doar o anomalie statistică a unei călătorii de 2,4 miliarde de ani, ci prima dovadă palpabilă a unificării dintre relativitatea lui Albert Einstein și fizica cuantică — o fereastră rară către însăși textura intimă a spațiului.
Studiul complet al cercetătorilor a fost acceptat spre publicare în prestigioasa revistă Physical Review Letters și este disponibil ca preprint pe serverul arXiv.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Specia noastră a supraviețuit oamenilor de Neanderthal datorită unei diferențe cheie, sugerează un studiu
Un neurocercetător sugerează că, de fapt, creierul uman s-ar putea să nu ia decizii
Un compus din afine ar putea ajuta celulele musculare să ardă excesul de grăsime
Celulele canceroase care „hibernează” în tumorile mamare stau ascunse în spatele unor scuturi de celule imune, arată o nouă hartă
