Фотон с энергией около 300 ТэВ, предположительно прилетевший от гамма-всплеска GRB 221009A, поставил физиков перед проблемой: согласно стандартным моделям распространения света, частица такой энергии должна была исчезнуть задолго до Земли. В новом исследовании физики показали, что наблюдение можно объяснить в некоторых моделях с нарушением инвариантности Лоренца, которое допускают отдельные теории квантовой гравитации.
GRB 221009A зафиксировали 9 октября 2022 года. Гамма-всплеск оказался самым ярким из когда-либо наблюдавшихся и произошёл на расстоянии более двух миллиардов световых лет от Земли. Измеренное красное смещение источника составляет около 0,151.
Самый необычный сигнал зарегистрировала установка Carpet-3 в Баксанской нейтринной обсерватории на Северном Кавказе. Полный анализ Carpet-3 оценил энергию события в 300 ТэВ с неопределённостью +43/-38 ТэВ. Сигнал пришёл через 4536 секунд после срабатывания детектора Fermi-GBM и совпал с GRB 221009A по направлению и времени.
Связь с гамма-всплеском при этом нельзя считать окончательно доказанной. Группа Carpet-3 оценила вероятность случайного пространственно-временного совпадения примерно в 0,9%, а вероятность того, что первичной частицей был ошибочно принятый за фотон адрон, примерно в 0,03%. Авторы называют событие самым высокоэнергетическим из всех, которые когда-либо связывали с гамма-всплесками.
Проблема возникает во время предполагаемого путешествия фотона к Земле. Межгалактическое пространство заполнено фоновым излучением, включая реликтовое микроволновое излучение, оставшееся после ранней Вселенной. Гамма-квант чрезвычайно высокой энергии может столкнуться с таким фоновым фотоном и породить электрон-позитронную пару. Исходный гамма-квант при этом исчезает. Для фотона с энергией порядка 300 ТэВ стандартная модель распространения предсказывает настолько сильное поглощение, что прибытие с расстояния GRB 221009A выглядит крайне маловероятным.
Физики рассмотрели возможность, что при экстремальных энергиях немного меняется инвариантность Лоренца, один из фундаментальных принципов специальной теории относительности. Принцип требует, чтобы законы физики имели одинаковую форму для всех инерциальных наблюдателей. Некоторые модели квантовой гравитации допускают очень небольшие отклонения от такого поведения на огромных энергетических масштабах.
Подобная модификация способна изменить дисперсионное соотношение фотонов и порог взаимодействия гамма-квантов с фоновым излучением. Вселенная тогда становится прозрачнее для частиц сверхвысоких энергий, поэтому фотон получает возможность преодолеть путь, который стандартная физика фактически должна была для него закрыть. Авторы рассчитали допустимые параметры для линейного и квадратичного вариантов нарушения инвариантности Лоренца и получили области, совместимые с событием Carpet-3 с доверительной вероятностью 95%.
Есть и вторая странность. Китайская обсерватория LHAASO наблюдала от GRB 221009A тысячи фотонов значительно меньшей энергии, включая гамма-кванты выше 10 ТэВ. Частица Carpet-3 появилась заметно позже основной высокоэнергетической фазы. Предложенная модель допускает зависимость скорости распространения от энергии и, согласно расчётам , способна дать запаздывание фотона на 300 ТэВ примерно на час относительно менее энергичных гамма-квантов.
Авторы также проверили другое популярное объяснение необычной прозрачности Вселенной, аксионоподобные частицы. В подобных сценариях фотоны временно превращаются в чрезвычайно лёгкие гипотетические частицы, слабее взаимодействующие с фоновым излучением, а затем снова становятся фотонами. Для рассмотренных в новой работе параметров такой механизм сам по себе плохо объясняет событие на 300 ТэВ. Комбинация аксионоподобных частиц с изменённым распространением фотонов при нарушении инвариантности Лоренца, напротив, позволяет одновременно описать самые энергичные события LHAASO и Carpet.
Единого объяснения пока нет. В опубликованном ранее анализе совместного спектра LHAASO и Carpet-3 аксионоподобные частицы улучшали согласие с наблюдениями сильнее, чем рассмотренный вариант нарушения инвариантности Лоренца, хотя подходящие параметры также сталкивались с ограничениями из других астрофизических наблюдений. Результат сильно зависит от выбранной модели и набора ограничений.
Поэтому один необычный фотон пока не доказывает существование квантовой гравитации и не опровергает теорию относительности Эйнштейна. Наблюдение показывает другое: если связь события Carpet-3 с GRB 221009A подтвердится и подобные фотоны удастся зарегистрировать снова, астрофизики получат новый способ проверять фундаментальные законы физики на энергиях, недоступных земным ускорителям.