Як частинці світла вдалося подолати понад 2 млрд світлових років і врешті дістатися Землі, якщо за відомими законами фізики вона мала давно поглинутися в глибокому космосі ще на початку своєї подорожі? Відповідь на це запитання запропонували науковці Джорджо Галанті та Марко Ронкаделлі у дослідженні, опублікованому в Physical Review Letters. Їхня праця підводить до висновку: в екстремальних умовах простір-час може поводитися зовсім не так, як передбачав Альберт Ейнштейн.
Як вижив потужний фотон?
У центрі уваги фізиків опинився найяскравіший в історії гамма-спалах GRB 221009A, що отримав назву BOAT (Brightest Of All Time). Спалах, який стався на відстані 2 млрд світлових років від Землі, досяг нашої планети 9 жовтня 2022 року у вигляді потужного потоку світлових частинок. Детектор Carpet обсерваторії Баксан зафіксував у спалаху унікальний фотон із колосальною енергією — близько 300 ТеВ.
Цей рекорд поставить під сумнів сучасні астрофізичні моделі. Річ у тім, що Всесвіт не порожній: він пронизаний космічним мікрохвильовим фоном — реліктовим випромінюванням Великого вибуху. На шляху довжиною 2 млрд світлових років такий високоенергетичний фотон обов’язково мав би зіштовхнутися з реліктовими частинками, перетворитися на інші елементи й розсіятися. Сподіватися на його виживання — це все одно, що вистрілити стрілою крізь нескінченно густий ліс і розраховувати, що вона не влучить у жодне дерево.
Швидкісна смуга у просторі-часі
Досі науковці намагалися пояснити подібні явища існуванням аксіоноподібних частинок (ALP) — гіпотетичних надлегких частинок, у які фотони могли б тимчасово перетворюватися під час польоту. Проте модель ALP здатна обґрунтувати енергії лише до кількох десятків тераелектронвольт, але аж ніяк не 300 ТеВ.
Аби розв’язати тупик, Галанті та Ронкаделлі вперше поєднали механізм ALP із гіпотезою про порушення інваріантності Лоренца — одного з наріжних каменів спеціальної теорії відносності Ейнштейна. Згідно з деякими теоріями квантової гравітації, на найвищих енергетичних рівнях ця фундаментальна властивість простору-часу може дещо змінюватися.
Завдяки цьому за екстремальних енергій Всесвіт стає значно «прозорішим». Фотон буквально знаходить «швидкісну смугу», уникаючи руйнівних взаємодій із фоновим випромінюванням.
Точно за розкладом
Висунута теоретична модель знайшла ще одне підтвердження. Розрахунки дослідників показали: якщо порушення інваріантності Лоренца справді має місце, фотон з енергією 300 ТеВ має запізнитися та прибути до Землі приблизно на годину пізніше за фотони з меншою енергією. Порівняння даних із китайською обсерваторією LHAASO підтвердило — рекордний фотон дійсно запізнився саме на цей час.
Сформульована модель змогла одним теоретичним сценарієм пояснити два аномальних факти: і збереження частинки, і її затримку в дорозі. Якщо майбутні спостереження підтвердять ці висновки, космос перетвориться на грандіозну природну лабораторію для вивчення квантової гравітації, недосяжну для жодного наземного прискорювача частинок.
Раніше ми розповідали про те, як фотони одночасно існують у 37 просторових вимірах.
За матеріалами phys.org
