Fizycy muszą przemyśleć znane nam prawa

Wszechświat potrafi stawiać fizykom pytania, na które bardzo trudno znaleźć odpowiedź. Jedno z najnowszych pojawiło się po analizie niezwykłego rozbłysku gamma GRB 221009A, znanego jako BOAT – Brightest Of All Time, czyli „najjaśniejszy w historii”.

Wśród ogromnej liczby cząstek wysłanych przez tę kosmiczną eksplozję wykryto pojedynczy foton o energii około 300 teraelektronowoltów (TeV). Problem polega na tym, że według standardowych modeli taki foton nie powinien był przebyć dzielącej nas od źródła odległości.

Czy właśnie jeden foton może podważyć fizykę Einsteina? Sprawa jest bardziej skomplikowana – i właśnie dlatego tak interesująca.

BOAT – kosmiczny rozbłysk nie do pobicia

GRB 221009A został zaobserwowany 9 października 2022 roku. Źródło znajdowało się około 2,4 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Był to wyjątkowo silny rozbłysk gamma, którego jasność była tak duża, że część instrumentów znajdujących się na orbicie została wręcz „oślepiona” przez intensywność sygnału.

Astronomowie szybko nadali mu przydomek BOAT. Analizy sugerują, że zdarzenie tej klasy może pojawiać się w naszym niebie średnio zaledwie raz na około 10 tysięcy lat. Nie oznacza to oczywiście, że dokładnie co 10 tysięcy lat musi nastąpić podobny rozbłysk – jest to statystyczne oszacowanie częstości takich ekstremalnych zdarzeń.

Rozbłyski gamma należą do najbardziej energetycznych zjawisk obserwowanych we Wszechświecie. W przypadku długich GRB ich źródłem może być zapadanie się masywnej gwiazdy i powstanie czarnej dziury, któremu towarzyszą potężne dżety materii i promieniowania.

Foton, który nie powinien do nas dotrzeć

Największą zagadką nie jest jednak sam rozbłysk.

Chodzi o pojedynczy foton o energii około 300 TeV, wykryty przez eksperyment Carpet w obserwatorium Baksan. To najwyższa energia przypisywana fotonowi pochodzącemu z rozbłysku gamma.

Dlaczego jest to problem?

Ponieważ przestrzeń między gwiazdami i galaktykami nie jest całkowicie pusta.

Wszechświat wypełnia między innymi kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła – słabe promieniowanie będące pozostałością po wczesnych etapach ewolucji Wszechświata.

Bardzo wysokoenergetyczny foton przemierzający ogromną przestrzeń może wejść w interakcję z fotonem tego tła. W odpowiednich warunkach dochodzi wówczas do produkcji pary cząstka–antycząstka, a pierwotny foton przestaje istnieć jako taki.

Im większa energia fotonu i im dłuższa droga, tym większy staje się problem.

A tutaj mówimy o podróży liczącej miliardy lat świetlnych.

Jak więc foton przeżył podróż?

To właśnie pytanie postawili badacze z włoskich instytucji INAF i INFN, Giorgio Galanti i Marco Roncadelli.

W pracy opublikowanej w Physical Review Letters zaproponowali scenariusz, który łączy dwa niezwykle interesujące pomysły fizyczne.

Pierwszy związany jest z hipotetycznymi cząstkami określanymi jako axion-like particles (ALP).

Według niektórych modeli foton może w określonych warunkach zamienić się w taką cząstkę, a następnie ponownie stać się fotonem.

To byłoby trochę tak, jakby cząstka znalazła „ukrytą ścieżkę”, dzięki której mogłaby ominąć przeszkody znajdujące się na jej normalnej drodze.

Problem w tym, że wcześniejsze modele tego mechanizmu nie były wystarczające, aby wyjaśnić obserwację fotonu o energii około 300 TeV.

Drugi trop prowadzi do teorii względności

Drugi element proponowanego rozwiązania jest jeszcze bardziej fundamentalny.

Chodzi o niezmienniczość Lorentza – jedną z podstaw szczególnej teorii względności.

W dużym uproszczeniu zasada ta mówi, że prawa fizyki mają tę samą postać dla obserwatorów poruszających się względem siebie ze stałą prędkością. Jest ona jednym z fundamentów współczesnej fizyki.

Niektórzy fizycy rozważają jednak możliwość, że przy ekstremalnie wysokich energiach, których nie jesteśmy w stanie osiągnąć w ziemskich akceleratorach, pojawią się bardzo subtelne efekty związane z kwantową naturą grawitacji.

W takim scenariuszu zachowanie światła mogłoby nieco odbiegać od tego, co przewidują klasyczne teorie.

Nie oznacza to, że Einstein się „pomylił”. Bardziej prawdopodobne byłoby znalezienie granicy obowiązywania teorii – podobnie jak teoria względności nie unieważniła mechaniki Newtona, lecz pokazała, gdzie jej przybliżenia przestają wystarczać.

Ciekawy jest także czas dotarcia fotonów

Na tym jednak zagadka się nie kończy.

Naukowcy zwracają uwagę na opóźnienie czasowe pomiędzy fotonami o różnych energiach. W przypadku BOAT obserwowano fotony docierające w różnym czasie, co również może dostarczać informacji o fizyce działającej przy ekstremalnych energiach.

Jeżeli takie opóźnienia rzeczywiście są związane z modyfikacją propagacji światła, mogą stać się niezwykle cennym narzędziem do badania fizyki wykraczającej poza obecne modele.

Kosmos staje się wtedy gigantycznym laboratorium.

Czy Einstein właśnie przegrał?

Nie.

Nagłówki sugerujące, że jeden foton „obalił teorię względności”, byłyby zdecydowanie przesadzone.

Naukowcy nie wykazali, że szczególna teoria względności jest błędna. Zidentyfikowali natomiast obserwację, którą trudno wyjaśnić przy użyciu standardowego opisu propagacji tak wysokoenergetycznego promieniowania na ogromnych odległościach.

Proponowany model jest hipotezą, którą trzeba dopiero sprawdzić kolejnymi obserwacjami. Sami autorzy podkreślają, że przyszłe rozbłyski gamma będą kluczowe dla przetestowania tej interpretacji.

To bardzo ważne rozróżnienie.

Nie mamy jeszcze nowej fizyki. Mamy niezwykle interesującą wskazówkę, która może pomóc ją znaleźć.

Wszechświat jako akcelerator cząstek

Najbardziej fascynujące jest to, że eksperyment nie został przeprowadzony w laboratorium na Ziemi.

Nie potrzebowaliśmy akceleratora wielkości planety.

Natura sama stworzyła eksperyment – w odległości miliardów lat świetlnych.

GRB 221009A wygenerował warunki, których człowiek nie jest w stanie odtworzyć w ziemskich laboratoriach. A następnie niewielka część informacji o tym zdarzeniu dotarła do nas w postaci promieniowania.

Jeden foton może więc stać się sondą badającą najbardziej fundamentalne pytania fizyki: jak zachowuje się światło przy ekstremalnych energiach, czy istnieją nieznane cząstki i czy teoria względności jest ostatecznym opisem czasoprzestrzeni?

Na odpowiedź trzeba będzie jeszcze poczekać.

Ale właśnie takie obserwacje pokazują, dlaczego astronomia jest czymś więcej niż oglądaniem odległych gwiazd. Czasami światło przebywające przez miliardy lat może powiedzieć nam coś, czego nie jesteśmy w stanie odkryć w żadnym ziemskim laboratorium.