9 октября 2022 года Землю достиг свет от одного из самых необычных космических взрывов, когда-либо зарегистрированных человечеством. Гамма-всплеск GRB 221009A оказался настолько мощным, что астрономы дали ему неофициальное прозвище BOAT — Brightest Of All Time, то есть самый яркий за все время наблюдений. Источник находился более чем в двух миллиардах световых лет от нас. Но спустя некоторое время появилась деталь, способная сделать эту историю еще более странной: был зарегистрирован сигнал, соответствующий фотону с энергией около 300 тераэлектронвольт.
Проблема в том, что если этот фотон действительно пришел от GRB 221009A, то по стандартным представлениям астрофизики он почти наверняка не должен был пережить такое путешествие.
Космос кажется пустым лишь на первый взгляд. Даже между галактиками существует море слабого электромагнитного излучения. Вселенную заполняют фотоны реликтового микроволнового фона, оставшиеся после ранних этапов ее истории, а также более низкоэнергетическое фоновое излучение звезд и галактик.
Для обычного света эта среда почти прозрачна. Но сверхэнергичный гамма-фотон сталкивается с совершенно другой физической реальностью. При взаимодействии с подходящим фоновым фотоном их энергии может хватить на рождение пары частица-античастица — электрона и позитрона. Исходный гамма-фотон при этом исчезает.
Чем выше энергия и чем длиннее путешествие, тем серьезнее становится проблема. Поэтому космос для гамма-излучения экстремальных энергий может быть гораздо менее прозрачным, чем для видимого света. Для фотона примерно в 300 ТэВ путь от GRB 221009A выглядит особенно проблематично.
Сигнал такой энергии был зарегистрирован установкой Carpet-2 Баксанской нейтринной обсерватории на Кавказе. Если его происхождение действительно связано с GRB 221009A, перед физиками возникает неудобный вопрос: каким образом частица света преодолела более двух миллиардов световых лет сквозь Вселенную, которая должна была ее поглотить?
И здесь особенно важно слово «если». Связь события Carpet-2 с конкретным гамма-всплеском нельзя считать окончательно доказанной лишь на основании совпадения направления и времени. Поэтому говорить, что Эйнштейн уже опровергнут одним фотоном, было бы серьезным преувеличением. Но необычное событие дает возможность проверить весьма экзотические модели фундаментальной физики.
Одно возможное объяснение обсуждалось еще до появления нынешней работы. Фотон может обладать способом временно «спрятаться». Для этого понадобятся аксионоподобные частицы, или ALP. Это гипотетические чрезвычайно легкие частицы, существование которых пока не доказано. В присутствии магнитных полей фотоны при определенных условиях теоретически способны превращаться в ALP, а затем снова становиться фотонами. Поскольку аксионоподобная частица взаимодействовала бы с окружающим излучением значительно слабее, часть космического путешествия она могла бы совершить практически беспрепятственно.
Получается своеобразная смена транспорта: фотон превращается в почти не взаимодействующую частицу, пересекает опасный участок, а ближе к Млечному Пути снова становится фотоном. Такой механизм способен повысить прозрачность Вселенной для высокоэнергетического гамма-излучения.
Но энергия в 300 ТэВ настолько велика, что одного этого механизма авторам новой работы оказалось недостаточно. Джорджо Галанти из Национального института астрофизики Италии и Марко Ронкаделли из Национального института ядерной физики рассмотрели более радикальный вариант, объединив аксионоподобные частицы с возможным нарушением лоренцевской инвариантности.
За сложным названием скрывается один из фундаментальных принципов специальной теории относительности. Грубо говоря, законы физики должны иметь одинаковую форму для наблюдателей, движущихся равномерно относительно друг друга. С этим принципом тесно связана структура пространства-времени, лежащая в основе современной физики частиц.
Однако некоторые попытки построить квантовую теорию гравитации допускают, что на экстремальных энергиях лоренцевская симметрия может быть не абсолютно точной. Эффект, если он существует, должен быть чрезвычайно мал, иначе физики обнаружили бы его гораздо раньше. Но фотон с колоссальной энергией, летящий миллиарды световых лет, представляет почти идеальный усилитель подобных микроскопических отклонений.
Даже крошечное изменение закона распространения способно накопиться на космологических расстояниях. Одновременно могут измениться условия взаимодействия гамма-фотона с фоновым излучением. Вселенная тогда становится для него более прозрачной, чем предсказывает стандартная модель распространения.
Особенно интригует второй результат расчетов. Модель предсказывает не только возможность выживания сверхэнергичного фотона, но и изменение времени его прибытия. Фотон около 300 ТэВ должен был прийти приблизительно на час позже более низкоэнергетического гамма-излучения, зарегистрированного обсерваторией LHAASO. Наблюдаемая временная картина, как указывают авторы, согласуется с таким порядком величины.
На первый взгляд это выглядит почти как двойное доказательство: теория объясняет и невозможную прозрачность Вселенной, и задержку сигнала. Но именно здесь необходимо проявлять максимальную осторожность. Совпадение предсказания модели с одним необычным событием еще не является открытием нарушения теории относительности. Необходимо подтвердить астрофизическое происхождение фотона, исключить альтернативные объяснения и, главное, увидеть аналогичный эффект в независимых событиях.
Если будущие гамма-всплески будут систематически демонстрировать зависимость времени прихода сверхэнергетических фотонов от их энергии, ситуация изменится радикально. Тогда можно будет проверить, существует ли универсальная закономерность. Если же подобные фотоны будут приходить без ожидаемых задержек или вообще перестанут обнаруживаться, пространство допустимых теорий резко сузится.
Именно поэтому гамма-всплески превращаются в лаборатории фундаментальной физики, построить которые на Земле невозможно. Природа сама создает фотоны чудовищной энергии, отправляет их через миллиарды световых лет и предоставляет ученым возможность измерить результат. Огромное расстояние становится частью эксперимента.
История необычного фотона поэтому пока не является историей о том, как Эйнштейн оказался неправ. Скорее это чрезвычайно строгая проверка границ теории, выдержавшей более столетия экспериментов. Нарушение лоренцевской инвариантности и аксионоподобные частицы остаются гипотезами.
Но если происхождение события Carpet-2 будет надежно связано с GRB 221009A и похожие сигналы появятся снова, последствия окажутся огромными. Тогда один фотон, начавший путешествие более двух миллиардов лет назад, может оказаться первым намеком на физику пространства-времени, которую человечество до сих пор никогда не наблюдало напрямую.
[note style="3" type="danger" icon="yes" class="js-widget-class" scroll_reveal="scale up 30% reset"]Ссылка: «Сценарии нарушения Лоренца для фотонов с самой высокой энергией от GRB 221009A» DOI: 10.1103/zjh2-mc47.[/note]
А затем «Добавить на главный экран».
