Come ha fatto un fotone a sopravvivere a un viaggio di oltre due miliardi di anni luce quando, secondo la fisica conosciuta, avrebbe dovuto essere assorbito molto prima di raggiungere la Terra? È la domanda da cui parte un nuovo studio firmato da Giorgio Galanti (Inaf) e Marco Roncadelli (Infn), pubblicato su Physical Review Letters. La ricerca affronta uno dei più affascinanti enigmi dell’astrofisica contemporanea e propone una possibile spiegazione per il fotone più energetico mai osservato proveniente da un lampo gamma, suggerendo che, in condizioni estreme, lo spazio-tempo possa comportarsi in modo diverso da quanto previsto dalla relatività di Einstein.
Protagonista della vicenda è il lampo gamma più luminoso mai osservato, Grb 221009A, soprannominato dagli astronomi ‘Boat’ (Brightest Of All Time, ovvero il più luminoso di sempre). L’esplosione, avvenuta a circa due miliardi di anni luce dalla Terra e osservata il 9 ottobre 2022, ha raggiunto il nostro pianeta sotto forma di un’enorme pioggia di fotoni, le particelle elementari della luce. Tra questi ce n’era uno davvero fuori dall’ordinario. È stato rivelato da Carpet, un rivelatore di raggi cosmici ad altissima energia situato presso l’Osservatorio del Baksan, nel Caucaso russo, e trasportava un’energia di circa 300 teraelettronvolt (TeV), la più alta mai osservata per un fotone proveniente da un lampo gamma. È proprio questa energia record ad aver messo in crisi i modelli attuali. Secondo la fisica conosciuta, infatti, un fotone del genere non avrebbe dovuto riuscire a raggiungere la Terra.
Il motivo è che l’universo non è completamente vuoto. Lungo il suo viaggio avrebbe dovuto interagire con i fotoni della radiazione cosmica di fondo, il debole bagliore residuo del Big Bang che permea tutto l’universo, trasformandosi in altre particelle e scomparendo molto prima di raggiungere la Terra. È come lanciare una freccia attraverso una foresta fittissima lunga due miliardi di anni luce aspettandosi che non colpisca nemmeno un albero. Secondo la fisica attuale è praticamente impossibile. Eppure quel fotone è arrivato fino a noi.
Rappresentazione artistica di un fascio di fotoni ad altissima energia emessi dal Grb 221009A che attraversa lo spazio-tempo quantistico. Crediti: Giorgio Galanti/Generato con IA
Negli ultimi anni una possibile soluzione era stata proposta chiamando in causa le Axion-Like Particles (Alp), particelle ancora ipotetiche estremamente leggere. Secondo questo scenario, i fotoni potrebbero trasformarsi temporaneamente in Alp durante il viaggio attraverso l’Universo, per poi tornare a essere fotoni nei pressi della Via Lattea. Questo meccanismo riesce a spiegare i fotoni osservati fino a energie dell’ordine di alcune decine di teraelettronvolt, ma non è sufficiente nel caso del fotone da 300 TeV.
«Siamo partiti da una domanda molto semplice: come ha fatto questo fotone a sopravvivere a un viaggio che, secondo la fisica conosciuta, avrebbe dovuto distruggerlo?», spiega Galanti, ricercatore all’Inaf e primo autore dello studio. «I nuovi dati dell’esperimento Carpet ci hanno mostrato che le spiegazioni proposte finora non erano più sufficienti. Abbiamo quindi cercato uno scenario teorico capace di descrivere in modo coerente ciò che osserviamo, senza ricorrere a correzioni arbitrarie delle equazioni».
Giorgio Galanti, Inaf Iasf Milano
Da qui nasce il nuovo studio. Per la prima volta, i ricercatori hanno combinato il meccanismo delle Alp con una possibile violazione dell’invarianza di Lorentz, una delle proprietà fondamentali della relatività speciale di Einstein. Secondo alcuni modelli di gravità quantistica, alle energie più estreme questa proprietà potrebbe modificarsi leggermente, cambiando il modo in cui i fotoni si propagano nello spazio.
In questo scenario, il fotone riesce a evitare le interazioni che, secondo la fisica standard, lo avrebbero distrutto durante il viaggio. L’universo diventa quindi, per queste energie eccezionali, molto più “trasparente”, permettendo alla particella di raggiungere la Terra. In pratica, secondo il nuovo modello, il fotone trova una sorta di “corsia preferenziale” attraverso l’universo. Non perché cambino le leggi della fisica in generale, ma perché, a energie così elevate, potrebbero entrare in gioco effetti mai osservati prima.
Ma c’è un altro elemento che rende il risultato particolarmente interessante. Il modello non si limita a spiegare come il fotone sia riuscito a raggiungere la Terra, ma prevede anche un secondo effetto osservabile. Secondo i calcoli, infatti, il fotone da 300 TeV dovrebbe arrivare circa un’ora dopo quelli meno energetici rivelati dall’osservatorio cinese Lhaaso (Large High Altitude Air Shower Observatory). Ed è proprio ciò che è stato osservato.
«L’aspetto più interessante del nostro lavoro è che unisce, per la prima volta, due idee sviluppate finora separatamente», aggiunge Roncadelli, ricercatore Infn e co-autore del lavoro. «Se questo scenario fosse confermato da future osservazioni, l’universo diventerebbe un laboratorio naturale per studiare la gravità quantistica a energie enormemente superiori a quelle raggiungibili da qualsiasi acceleratore costruito sulla Terra».
Con un’unica spiegazione, quindi, il modello riesce a rendere conto di due fenomeni diversi: la sopravvivenza del fotone più energetico mai osservato da un lampo gamma e il suo ritardo rispetto ai fotoni di energia inferiore. Un risultato che rafforza la proposta teorica, anche se saranno necessarie nuove osservazioni per verificarla.
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Lorentz-Violating Scenarios for the Highest-Energy Photons from GRB 221009A”, di Giorgio Galanti e Marco Roncadelli