Космос кажется почти пустым, но для чрезвычайно энергичного фотона он вовсе не является свободной дорогой. Пространство заполнено реликтовым микроволновым излучением — слабым остаточным свечением Большого взрыва. Оно способно взаимодействовать с высокоэнергетическими фотонами и превращать их в другие частицы.
Именно поэтому один недавно обнаруженный фотон поставил физиков перед серьезной загадкой.
Его энергия составляла около 300 тераэлектронвольт, а путь до Земли — примерно 2 миллиарда световых лет. По существующим представлениям, вероятность пережить такое путешествие должна быть чрезвычайно мала.
Авторы новой работы сравнивают ситуацию с попыткой выпустить стрелу через невероятно густой лес длиной в миллиарды световых лет так, чтобы она ни разу не столкнулась с деревом.
История началась в октябре 2022 года, когда астрономы зарегистрировали ярчайший из когда-либо наблюдавшихся гамма-всплесков — GRB 221009A. Такие всплески представляют собой мощнейшие выбросы энергии, возникающие при коллапсе или столкновении звезд.
Среди частиц этого события российский детектор космических лучей «Ковер» в Баксанской обсерватории зарегистрировал особенно необычный фотон.
Его энергия достигала 300 тераэлектронвольт — примерно в 100 триллионов раз больше энергии фотона видимого света.
Проблема в том, что фотоны такой энергии должны активно взаимодействовать с реликтовым излучением. На расстоянии около 2 миллиардов световых лет обнаруженный фотон, согласно известной физике, должен был исчезнуть задолго до встречи с Землей.
Подобную проблему ученые обсуждали и раньше, но обычно речь шла о фотонах с энергией всего в несколько десятков тераэлектронвольт. Новый случай оказался значительно более экстремальным.
Исследователи из Национального института астрофизики Италии и Национального института ядерной физики Италии предложили объяснение, объединяющее сразу две идеи.
Первая связана с так называемыми аксионоподобными частицами. Теоретически фотон способен превратиться в такую частицу, пройти часть пути в этом состоянии, а затем снова стать фотоном. Это позволило бы ему избежать некоторых взаимодействий с реликтовым излучением.
Такая гипотеза предлагалась и раньше и могла объяснять распространение фотонов с энергиями в несколько десятков тераэлектронвольт.
Однако для энергии в 300 тераэлектронвольт этого оказалось недостаточно. По расчетам исследователей, одного этого механизма не хватает примерно в сто раз.
Поэтому ученые добавили вторую возможную составляющую — нарушение лоренц-инвариантности, одного из фундаментальных принципов специальной теории относительности.
Некоторые модели квантовой гравитации допускают, что при чрезвычайно высоких энергиях этот принцип может немного нарушаться. Если подобный эффект действительно существует, Вселенная могла бы стать более прозрачной для фотонов огромной энергии.
Образно говоря, у таких частиц могла бы появиться своеобразная «скоростная полоса», позволяющая им преодолевать расстояния, которые при обычных условиях должны быть для них недоступны.
Авторы подчеркивают, что речь не идет о произвольном изменении законов физики. Предположение состоит в том, что при экстремальных энергиях могут проявляться эффекты, практически незаметные в обычных условиях.
Интересно, что эта идея согласуется еще с одной особенностью того же гамма-всплеска.
Фотон с энергией 300 тераэлектронвольт прибыл примерно на час позже фотонов с меньшей энергией. Отдельное исследование ранее показало, что подобная задержка тоже потенциально может возникать при нарушении лоренц-инвариантности.
Таким образом, два необычных наблюдения одного и того же события могут иметь общее объяснение.
Если такая модель когда-нибудь подтвердится, далекие космические события позволят исследовать квантовую гравитацию при энергиях, которые невозможно получить ни на одном построенном на Земле ускорителе.
Но пока выводы остаются крайне предварительными.
Вся модель основана фактически на одном необычном фотоне, поэтому необходимы новые наблюдения подобных гамма-всплесков. Только они смогут показать, столкнулись ли физики с реальным проявлением новой физики или с редким событием, для которого существует более привычное объяснение.
Сами авторы признают, что оба обнаруженных намека требуют дальнейшего подтверждения. Лишь будущие наблюдения покажут, действительно ли этот фотон оказался первым признаком необычной физики, проявляющейся только при экстремальных энергиях.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
