Вселенная не пуста: ее заполняет реликтовое излучение — слабое эхо Большого взрыва. Когда фотон с огромной энергией летит сквозь космос, он сталкивается с этим излучением и превращается в другие частицы. Чем выше энергия, тем короче путь фотона. Однако в 2022 году астрономы зафиксировали частицу, которая нарушила это правило.
Изображение: ScienceAlert
Фотон был обнаружен детектором «Ковер» на Баксанской обсерватории на Северном Кавказе. Его энергия составила 300 тераэлектронвольт — примерно в 100 триллионов раз больше, чем у фотона видимого света. Источником стал гамма-всплеск GRB 221009A, который произошел на расстоянии около 2 миллиардов световых лет от Земли. Этот всплеск считается самым ярким за всю историю наблюдений.
По расчетам, такой фотон не должен был долететь до нашей планеты. На своем пути он неизбежно столкнулся бы с реликтовым излучением и распался на другие частицы. Ученые из Итальянского национального института астрофизики и Итальянского национального института ядерной физики попытались объяснить этот парадокс.
Одна из гипотез предполагает, что фотон по пути превращался в аксионоподобные частицы (ALP). Эти гипотетические частицы слабо взаимодействуют с реликтовым излучением и могли помочь фотону обойти препятствие. Однако для энергии 300 ТэВ этого механизма недостаточно: расчеты показывают, что он работает только для фотонов с энергией в десятки ТэВ.
У времени нашли крошечную неопределённость, ограничивающую точность часов
Тогда астрофизики добавили второе условие — возможное нарушение лоренц-инвариантности. Это один из принципов специальной теории относительности, согласно которому скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей. Некоторые модели квантовой гравитации допускают, что при экстремально высоких энергиях этот принцип может слегка нарушаться. Если это так, то вероятность взаимодействия фотона с реликтовым излучением снижается, и Вселенная становится для него более прозрачной.
Объединенная модель объясняет сразу два наблюдения. Во-первых, она показывает, почему фотон с энергией 300 ТэВ смог выжить в долгом путешествии. Во-вторых, она предсказывает, что такие частицы должны приходить с задержкой. Расчеты показали, что фотон с энергией 300 ТэВ должен опоздать примерно на час по сравнению с менее энергичными частицами. Данные китайской обсерватории LHAASO подтвердили: разница во времени прибытия действительно составила около часа.
Авторы исследования подчеркивают, что это пока теоретическое объяснение. Для подтверждения нужны новые наблюдения. Тем не менее, работа показывает, что космические гамма-всплески могут стать инструментом для проверки фундаментальных законов физики.
