Как е възможно един фотон да оцелее след пътуване от повече от 2 милиарда светлинни години, когато според известната физика е трябвало да бъде абсорбиран много преди да достигне Земята? Това е въпросът, който е в основата на ново изследване на Джорджо Галанти (Giorgio Galanti) и Марко Ронкадели (Marco Roncadelli), прието за публикуване в Physical Review Letters.
Изследването разглежда една от най-завладяващите загадки в съвременната астрофизика. То предлага възможно обяснение за фотоните с най-висока енергия, наблюдавани някога от избухване на гама лъчи, предполагайки, че при екстремни условия пространство-времето може да се държи различно от това, което предсказва Специалната теория на относителността на Айнщайн.
В центъра на историята е най-яркият гама-лъчев взрив, наблюдаван някога, GRB 221009A, наречен от астрономите BOAT - Най-ярката на всички времена (Brightest Of All Time). Експлозията, която се е случила на около 2 милиарда светлинни години от Земята и е наблюдавана на 9 октомври 2022 г., достига нашата планета като огромен поток от фотони, елементарните частици на светлината.
Сред тях е един наистина изключителен фотон.
Ултрависокоенергийният детектор на космически лъчи КОВЁР ("Килим"), разположен в руската обсерватория Баксан в Кавказ, го засича и установява, че той носи енергия от около 300 тераелектронволта (TeV) - най-високата наблюдавана някога за фотон от гама-лъчева експлозия. Тази рекордна енергия оспорва настоящите модели. Според известната физика, такъв фотон не би трябвало да може да достигне Земята.
Илюстрация на свръхновата, която изстреля BOAT, гама-лъчевият взрив, който е най-мощната космическа експлозия след Големия взрив. Кредит: Aaron M. Geller / Northwestern / CIERA / IT Research Computing and Data Services
Запис (рекорд), който не би трябвало да съществува
Причината е, че Вселената не е напълно празна. По време на пътуването си фотонът би трябвало да е взаимодействал с фотони от космическия микровълнов фон - слабото реликтово лъчение от Големия взрив, което прониква в цялата Вселена, трансформирайки се в други частици и изчезвайки много преди да достигне Земята. Това е все едно да изстреляте стрела през изключително гъста гора, простираща се на 2 милиарда светлинни години, и да очаквате тя да не уцели нито едно дърво. Според съвременната физика това е практически невъзможно. И въпреки това фотонът е стигнал до нас.
През последните години едно възможно решение включва аксионоподобни частици (ALP - axion-like particle), изключително леки хипотетични частици. В този сценарий фотоните биха могли временно да се превърнат в ALP, докато пътуват през Вселената, и след това да се превърнат обратно във фотони близо до Млечния път. Този механизъм може да обясни фотоните, наблюдавани при енергии до няколко десетки тераелектронволта, но не е достатъчен, за да обясни фотона от 300 TeV.
"Започнахме с един много прост въпрос: Как този фотон е оцелял след пътуване, което според известната физика би трябвало да го унищожи?", обяснява Галанти, изследовател на INAF и първи автор на изследването.
"Новите данни от детектора "КОВЁР" ни показват, че предложените досега обяснения вече не са достатъчни. Затова потърсихме теоретичен сценарий, способен последователно да описва наблюдаваното, без да прибягваме до произволни корекции на уравненията."
Където относителността може да се огъне
Тук се намесва новото изследване. За първи път изследователите комбинират механизма на ALP с възможно нарушение на Лоренцовата инвариантност, едно от фундаменталните свойства на Специалната теория на относителността на Айнщайн. Лоренцовата инвариантност гласи, че наблюдателите, движещи се с различна скорост, би трябвало да изпитват едни и същи физични закони. Екипът тества идеята, че Лоренцовата инвариантност може да бъде нарушена при високи енергии, като по този начин се променя начинът, по който фотоните се разпространяват в пространството.
В този сценарий фотонът е в състояние да избегне взаимодействията, които според стандартната физика биха го унищожили по време на пътуването му. При тези изключителни енергии Вселената става много по-"прозрачна", позволявайки на частицата да достигне Земята.
На практика, според новия модел, фотонът намира един вид "бърза писта" през Вселената. Това не означава, че законите на физиката се променят като цяло, а по-скоро, че при толкова високи енергии биха могли да се проявят ефекти, ненаблюдавани досега.
Втора улика във времето
Но друг елемент прави резултата особено интересен. Моделът не само обяснява как фотонът е успял да достигне Земята, но и предсказва втори наблюдаем ефект. Според изчисленията, фотонът от 300 TeV би трябвало да пристигне около един час по-късно от фотоните с по-ниска енергия, засечени от Китайската обсерватория LHAASO. И точно това е наблюдавано.
"Най-интересният аспект от нашата работа е, че за първи път тя обединява две идеи, които досега бяха разработени поотделно", добавя Ронкадели, съавтор на изследването.
"Ако бъдещи наблюдения потвърдят този сценарий, Вселената ще се превърне в естествена лаборатория за изучаване на квантовата гравитация при енергии, значително по-високи от постижимите от който и да е ускорител, построен на Земята."
Следователно, с едно-единствено обяснение, моделът може да обясни две различни явления: оцеляването на фотона с най-висока енергия, наблюдаван някога от гама-лъчев изблик, и неговото забавено пристигане в сравнение с фотоните с по-ниска енергия. Резултатът подсилва предложения теоретичен сценарий, въпреки че ще са необходими допълнителни наблюдения, за да се тества.
Справка: Giorgio Galanti et al, Lorentz-violating scenarios for the highest-energy photons from GRB 221009A, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/zjh2-mc47. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2504.01830
Източник: A photon that challenges Einstein: According to current physics, it should never have reached Earth, National Institute for Astrophysics (INAF)
Още по темата
Физика
Разрязването на фотон на две създава безкраен рояк от частици
Космос
7-часовата експлозия, която никой не може да обясни
Физика
Ето какво е причинило най-голямата космическа експлозия, виждана някога
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Памет на водата или как ни промиват мозъка
Произходът на мартеницата трябва да се търси далече - в Индия и Древна Гърция
Откъде идва "химията" на междуличностните връзки?
dolivo
Експериментален руски спътник се разпада в орбита и оставя следи от отломки