W skrócie
- Detekcja fotonu o energii 300 TeV z rozbłysku GRB 221009A podważa obecne "prawa" fizyki, gdyż zgodnie z teorią Einsteina cząstka powinna ulec zniszczeniu w przestrzeni.
- Włoscy badacze zaproponowali model łączący koncepcję cząstek ALP z modyfikacją niezmienniczości Lorentza, co tłumaczy przetrwanie fotonu podczas podróży przez kosmos.
- Nowy model wyjaśnia godzinne opóźnienie fotonu względem innych cząstek, wskazując na możliwe efekty grawitacji kwantowej przy skrajnie wysokich poziomach energii.
- Więcej podobnych informacji znajdziesz na stronie głównej serwisu, otwiera się w nowym oknie
Anomalia z głębi kosmosu dotarła na Ziemię. A nie powinna
Pomiary wykonane po rozbłysku gamma GRB 221009A, określanym mianem BOAT, wywołały spore poruszenie w świecie nauki. Wybuch supernowej, otwiera się w nowym oknie oddalony o 2,4 mld lat świetlnych wystrzelił w stronę Ziemi strumień cząstek o rekordowej mocy. Analiza danych z rosyjskiego detektora Carpet wykazała, że jeden z zarejestrowanych fotonów osiągnął energię rzędu ok. 300 TeV. Zgodnie z dotychczas obowiązującymi "prawami" fizyki, otwiera się w nowym oknie taka cząstka nie mogła przebyć tak ogromnego dystansu bez zderzenia z materią intergalaktyczną.
"Zaczęliśmy od bardzo prostego pytania: jak ten foton przetrwał podróż, która zgodnie ze znaną fizyką powinna była go zniszczyć?" - wyjaśnia dr Giorgio Galanti z Narodowego Instytutu Astrofizyki (INAF) we Włoszech. Pytanie to stało się punktem wyjścia do poszukiwania nowych modeli teoretycznych, jako że dotychczasowe modele okazały się niewystarczająca. "Samo wykazanie przetrwania fotonu wymagało przewartościowania dotychczasowych teorii" - dodaje współautor badania.
Przestrzeń kosmiczna jest wypełniona promieniowaniem tła, stanowiącym pozostałość po Wielkim Wybuchu. Szum ten odpowiada za około 1 proc. zakłóceń w starych odbiornikach telewizyjnych i radiowych. Wysokoenergetyczne fotony powinny wchodzić w reakcję z tą mikrofalową poświatą, co prowadziłoby do ich przemiany w inne cząstki i szybkiego zaniku.
Dotychczasowe próby wyjaśnienia tego zjawiska opierały się na koncepcji hipotetycznych cząstek zwanych ALP. Zakładano, że fotony mogą tymczasowo zmieniać swoją naturę podczas lotu przez wszechświat, unikając w ten sposób kolizji, po czym wracają do pierwotnej postaci w pobliżu naszej galaktyki, otwiera się w nowym oknie, Drogi Mlecznej. Taki mechanizm sprawdza się jednak tylko w przypadku cząstek o energii do kilkudziesięciu teraelektronowoltów, co okazało się niewystarczające dla najnowszego odkrycia.
Zobacz również:
Rekordowy rozbłysk gamma wymyka się teorii Einsteina
Nowy artykuł naukowy opublikowany 8 września na łamach "Physical Review Letters" proponuje rozwiązanie problemu rekordowego rozbłysku gamma poprzez zestawienie mechanizmu ALP z modyfikacją niezmienczości Lorentza. Ta ostatnia stanowi fundament szczególnej teorii względności Alberta Einsteina. Naukowcy ze wspomnianego INAF oraz INFN (Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej) uznali, że przy ekstremalnych poziomach energii struktura czasoprzestrzeni może wykazywać nieznane dotąd właściwości, związane z efektami grawitacji kwantowej.
"Innowacyjność naszego podejścia polega na syntezie dwóch niezależnych koncepcji" - wyjaśnia współautor badania, dr Marco Roncadelli z INFN. Połączenie to pozwoliło stworzyć spójny scenariusz opisujący zachowanie cząstek bez wprowadzania arbitralnych korekt do znanych równań.
W tym nowym modelu kosmos, otwiera się w nowym oknie staje się znacznie bardziej "przezroczysty" dla cząstek o najwyższych energiach. Fotony zyskują swoistą uprzywilejowaną ścieżkę przelotu, omijając przeszkody, które normalnie doprowadziłyby do ich zniszczenia. Zdaniem ekspertów koncepcja ta nie wymaga wprowadzania sztucznych poprawek, lecz opiera się na naturalnym ujawnianiu się nowych zjawisk fizycznych w skrajnych warunkach środowiskowych.
Potwierdzeniem nowej teorii okazała się obserwacja przesunięcia czasowego między cząstkami o różnej mocy. Fotony o energii 300 TeV dotarły do ziemskich detektorów z około godzinnym opóźnieniem w stosunku do mniej naenergetyzowanych promieni zarejestrowanych przez chińskie obserwatorium LHAASO. Zjawisko to dokładnie pokrywa się z wyliczeniami opartymi na nowej hipotezie.
Kosmos jako naturalne laboratorium do badania grawitacji kwantowej
Zaproponowany model teoretyczny odpowiada jednocześnie na dwa zasadnicze pytania. Wyjaśnia on zarówno przetrwanie cząstki, jak i przyczynę jej opóźnienia. Dzięki temu włoscy astrofizycy zyskali spójne narzędzie do analizy procesów zachodzących przy najpotężniejszych eksplozjach we wszechświecie. Odkrycie otwiera zupełnie nowe możliwości w zakresie testowania modeli fizycznych w warunkach niemożliwych do odtworzenia na Ziemi, otwiera się w nowym oknie.
Obecnie żaden zbudowany przez człowieka akcelerator cząstek nie jest w stanie wygenerować poziomów energii, jakie towarzyszyły zdarzeniu BOAT. Pojedynczy kosmiczny foton z rozbłysku GRB 221009A posiadał energię 300 TeV, czyli 44-krotnie wyższą niż osiąga pojedyncza cząstka w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN (6,8 TeV). Obserwacja kolejnych tego typu zdarzeń pozwoli zweryfikować, czy modyfikacje teorii Einsteina znajdą stałe miejsce we współczesnej fizyce. Kosmos staje się w ten sposób naturalnym poligonem badawczym dla teorii grawitacji kwantowej.
"Jeśli przyszłe obserwacje potwierdzą ten scenariusz, wszechświat stanie się naturalnym laboratorium do badania grawitacji kwantowej przy energiach niezmiernie większych niż te, które są osiągalne dla jakiegokolwiek akceleratora zbudowanego na Ziemi" - skomentował dr Roncadelli.
Mimo że zdarzenie BOAT było wyjątkowo jasne, we wszechświecie regularnie dochodzi do rozbłysków gamma. Co dalej? Przyszłe obserwacje astronomiczne pozwolą zgromadzić więcej danych i ostatecznie potwierdzić, czy najwyższe energie rzeczywiście wymuszają korektę dotychczasowego rozumienia czasoprzestrzeni.
Źródła:
- Galanti G., Roncadelli M. Lorentz-Violating Scenarios for the Highest-Energy Photons from GRB 221009A. Phys. Rev. Lett. 137, 111002 (2026). DOI: 10.1103/zjh2-mc47
- Ufficio stampa Inaf. Un fotone che sfida Einstein. MEDIA INAF (2026).
