Фотон гамма-всплеска BOAT с рекордной энергией в 300 ТэВ смог достичь Земли благодаря возможному изменению свойств пространства-времени на экстремальных энергиях, что позволило частице избежать поглощения космическим микроволновым фоном.
Ключевые тезисы:
- Детектор Carpet зафиксировал фотон гамма-всплеска GRB 221009A (BOAT) с энергией 300 ТэВ, что считалось невозможным.
- Новая модель объединяет механизм аксионоподобных частиц и нарушение фундаментальной лоренц-инвариантности теории Эйнштейна.
- Математическая модель точно предсказала задержку прибытия суперфотона на Землю примерно на 1 час.
Ученые зафиксировали частицу света с рекордной энергией, которая добралась до Земли вопреки законам стандартной физики. Это открытие может потребовать корректировки теории относительности Альберта Эйнштейна и открыть путь к изучению квантовой гравитации.
В центре этой астрофизической загадки находится ярчайший гамма-всплеск за всю историю наблюдений — GRB 221009A. Астрономы прозвали его BOAT (сокращение от английского Brightest Of All Time — «Ярчайший за все времена»). Сам колоссальный космический взрыв произошел около 2 миллиардов лет назад, но его свет достиг нашей планеты лишь 9 октября 2022 года. В этот день Землю накрыл ливень из фотонов — элементарных частиц света, летевших к нам сквозь Вселенную.
Среди этого потока обнаружился один поистине аномальный экземпляр. Детектор Carpet, расположенный в Баксанской нейтринной обсерватории в Кабардино-Балкарии, поймал фотон с потрясающей энергией — около 300 тераэлектронвольт (ТэВ). Это абсолютный рекорд для излучения, исходящего от гамма-всплеска. И, согласно известной нам физике, такая частица вообще не должна была достичь земных приборов.
Проблема заключается в том, что космическое пространство не является абсолютно пустым. В нем разлито реликтовое излучение — слабое эхо Большого взрыва, пронизывающее всю Вселенную. Сверхэнергичный фотон на своем долгом пути неминуемо должен был взаимодействовать с этим микроволновым фоном, превратиться в другие частицы и исчезнуть задолго до того, как приблизился бы к Земле.
Авторы нового исследования сравнивают это с попыткой выпустить стрелу сквозь невероятно густой лес протяженностью в 2 миллиарда световых лет в надежде, что она не заденет ни единого ствола. Вероятность такого события практически равна нулю. Однако физическая «стрела» успешно добралась до цели, заставив ученых искать новые объяснения.
В последние годы для решения подобных парадоксов предлагалась гипотеза аксионоподобных частиц (ALP). Предполагалось, что фотоны могут на время превращаться в эти сверхлегкие гипотетические частицы, незаметно проскальзывать сквозь космические препятствия, а затем снова становиться светом на подлете к Млечному Пути. Этот механизм отлично описывал физику фотонов с энергией до нескольких десятков ТэВ. Но для «монстра» в 300 ТэВ этого оказалось недостаточно.
«Новые данные эксперимента Carpet показали, что предлагаемые ранее объяснения больше не работают. Поэтому мы стали искать теоретический сценарий, который мог бы последовательно описать наши наблюдения без искусственной подгонки уравнений», — объясняет Джорджио Галанти, исследователь Национального института астрофизики (INAF) и ведущий автор работы.
В исследовании, принятом к публикации в журнале Physical Review Letters, физики Джорджио Галанти и Марко Ронкаделли (Национальный институт ядерной физики Италии, INFN) предложили новую модель. Впервые они объединили механизм частиц ALP с возможным нарушением лоренц-инвариантности — одного из фундаментальных свойств специальной теории относительности Эйнштейна.
Согласно некоторым современным моделям квантовой гравитации, на экстремально высоких энергиях это базовое свойство может слегка видоизменяться, влияя на то, как свет распространяется в пространстве. В таком сценарии сверхэнергичный фотон получает возможность избежать столкновений, которые по стандартным правилам должны были его уничтожить. Вселенная становится для него прозрачной, предоставляя своеобразную «выделенную скоростную полосу».
Это не означает, что базовые законы физики отменяются целиком. Скорее, на запредельных энергиях в игру вступают совершенно новые, ранее не наблюдавшиеся эффекты.
Математическая модель итальянских ученых не только проложила спасительный маршрут для рекордного фотона, но и предсказала еще один важный эффект — время его прибытия. Расчеты показали, что частица на 300 ТэВ должна была достичь Земли примерно на час позже, чем менее энергичные фотоны, зафиксированные китайской обсерваторией LHAASO. Именно эта задержка и наблюдалась в реальности. Это тот редкий случай, когда опоздание на час становится главным доказательством математической правоты.
«Самое интересное в нашей работе то, что она впервые объединяет две идеи, которые до сих пор развивались по отдельности», — добавляет Марко Ронкаделли.
Одним решением исследователи объяснили сразу два феномена: невероятное выживание сверхэнергичного фотона и его опоздание. Если дальнейшие наблюдения подтвердят эту теорию, космос превратится в гигантскую естественную лабораторию. Ученым станут доступны исследования квантовой гравитации на энергиях, которые в миллионы раз превышают возможности любого коллайдера, когда-либо построенного на Земле.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
FAQ: Часто задаваемые вопросы
Что такое гамма-всплеск BOAT?
Это взрыв GRB 221009A, произошедший на расстоянии 2 млрд световых лет. Он получил название BOAT (Brightest Of All Time), так как является самым ярким гамма-всплеском за всю историю астрономических наблюдений.
Почему фотон на 300 ТэВ не должен был достичь Земли?
Согласно стандартной физике, частица с такой колоссальной энергией должна была неминуемо столкнуться с фотонами реликтового микроволнового излучения, превратиться в другие частицы и исчезнуть задолго до приближения к Млечному Пути.
Как новая теория объясняет полет этого суперфотона?
Ученые предполагают, что на экстремально высоких энергиях свойства пространства-времени слегка меняются (нарушение лоренц-инвариантности). В сочетании с превращением в гипотетические аксионоподобные частицы это создает для фотона «прозрачный коридор», позволяя ему избежать столкновений.
Источник: Giorgio Galanti et al, Lorentz-violating scenarios for the highest-energy photons from GRB 221009A, Physical Review Letters (2026).
Читайте также: Поиск темной материи привел к обнаружению аномального гамма-сигнала