Фотон энергией около 300 ТэВ может указать на неизвестные свойства Вселенной
Физики пытаются объяснить необычно энергичный фотон, который, по имеющимся моделям распространения света во Вселенной, не должен был сохранить такую энергию после путешествия на огромном расстоянии. Событие связано с гамма-всплеском GRB 221009A — самым ярким из когда-либо зарегистрированных подобных взрывов, получившим неофициальное название BOAT (Brightest Of All Time). Анализ данных указывает на возможную регистрацию фотона с энергией около 300 ТэВ, что вновь вызвало интерес к теориям за пределами современной физики частиц.
Гамма-всплеск GRB 221009A произошёл примерно 2,4 миллиарда световых лет от Земли и был обнаружен 9 октября 2022 года. В течение короткого времени он стал самым мощным гамма-событием, когда-либо наблюдавшимся астрономами. Всплеск был настолько ярким, что его излучение повлияло даже на верхние слои атмосферы Земли, а учёные по всему миру направили на него десятки телескопов.
Обычно такие события связаны с гибелью массивных звёзд и образованием чёрных дыр либо слиянием компактных объектов. При этом в момент взрыва выделяется колоссальное количество энергии, а частицы и излучение ускоряются до экстремальных значений.
Однако именно самые энергичные фотоны от GRB 221009A поставили перед физиками новую загадку.
Согласно современным представлениям, фотоны очень высокой энергии не должны беспрепятственно пересекать Вселенную на миллиарды световых лет. Причина связана с взаимодействием гамма-излучения с так называемым внегалактическим фоновым светом — слабым излучением, которое заполняет пространство между галактиками.
При столкновении такого гамма-фотона с фотоном низкой энергии может возникать пара электрон-позитрон. В результате высокоэнергичный фотон исчезает, а его энергия превращается в массу новых частиц. Чем выше энергия фотона, тем меньше расстояние, которое он способен пройти через космическое пространство.
Именно поэтому обнаружение фотона с энергией порядка 300 ТэВ после путешествия из далёкой галактики стало неожиданным.
Новый анализ данных китайского широкоугольного черенковского детектора LHAASO и других инструментов указывает на возможное наличие такого сверхэнергичного события. По оценке исследователей, энергия фотона составила около 300 ТэВ, с диапазоном неопределённости примерно от 262 до 343 ТэВ.
Если интерпретация верна, возникает вопрос: каким образом такой фотон смог достичь Земли?
Одно из возможных объяснений заключается в том, что существующие модели распространения гамма-излучения требуют уточнения. Например, некоторые теории предполагают существование аксионоподобных частиц — гипотетических объектов, которые могут взаимодействовать с фотонами в сильных магнитных полях.
Согласно такой гипотезе, часть гамма-излучения могла превращаться в аксионоподобные частицы возле источника, путешествовать через Вселенную практически без потерь, а затем снова превращаться в фотоны рядом с Млечным Путиём.
Однако сами исследователи подчёркивают: одних только аксионоподобных частиц недостаточно, чтобы полностью объяснить наблюдение. Возможны и другие варианты — от особенностей работы источника до более фундаментальных изменений в описании взаимодействия света и материи.
Ещё одна интересная возможность связана с нарушением лоренц-инвариантности — одного из фундаментальных принципов специальной теории относительности Эйнштейна. Эта идея предполагает, что законы физики могут немного отличаться при экстремально высоких энергиях.
Такие эффекты активно ищут физики, однако до сих пор ни один эксперимент не дал убедительного подтверждения нарушения специальной теории относительности. Поэтому подобные наблюдения рассматриваются прежде всего как способ установить новые ограничения на возможную новую физику.
Главная ценность события заключается не только в самом фотоне, а в том, что оно позволяет проверять физику в условиях, недоступных земным ускорителям.
Даже крупнейшие установки вроде Большого адронного коллайдера не способны напрямую создавать частицы с такими энергиями. Космические источники — гамма-всплески, активные ядра галактик и сверхновые — становятся своеобразными природными ускорителями, которые позволяют изучать Вселенную в экстремальных режимах.
Однако окончательные выводы делать пока рано. Учёным необходимо подтвердить, что зарегистрированный сигнал действительно является фотоном с такой энергией, а не результатом статистической особенности или ошибки интерпретации данных.
Если наблюдение подтвердится, оно станет одним из самых интересных указаний на возможную физику за пределами Стандартной модели. Если же найдётся обычное астрофизическое объяснение, результат всё равно поможет лучше понять, как самые мощные взрывы во Вселенной ускоряют частицы и распространяют гамма-излучение.
Гамма-всплеск GRB 221009A уже стал уникальным объектом для исследований. Теперь он может стать ещё и естественной лабораторией для проверки фундаментальных законов природы на энергиях, которые невозможно получить на Земле.
Исследование в журнале Physical Review Letters.