Un fotone con un’energia di circa 300 TeV (teraelettronvolt, equivale a mille miliardi di elettronvolt: 10¹² eV), proveniente dal lampo gamma GRB 221009A, potrebbe essere arrivato fino alla Terra grazie a effetti fisici che non sono previsti dai modelli standard. È quanto propone un nuovo studio di Giorgio Galanti dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e Marco Roncadelli dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), pubblicato su Physical Review Letters.
Il fotone è stato rilevato dall’esperimento Carpet, presso l’Osservatorio del Baksan, in Russia, ed è il più energetico mai associato a un lampo gamma. Il problema è che, secondo la fisica conosciuta, non avrebbe dovuto riuscire a percorrere gli oltre due miliardi di anni luce che separano GRB 221009A dalla Terra.
GRB 221009A è lo stesso lampo gamma osservato il 9 ottobre 2022 e soprannominato BOAT, Brightest Of All Time, perché è stato il più luminoso mai rilevato. Già nel 2023 si era parlato del problema legato ai suoi fotoni ad altissima energia: l’osservatorio cinese LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) ne aveva osservati fino a 18 TeV, energie difficili da spiegare considerando la distanza percorsa.
Perché il fotone non avrebbe dovuto raggiungerci?
Lo spazio tra GRB 221009A e la Terra non è completamente vuoto. È attraversato da diverse forme di radiazione, tra cui la radiazione cosmica di fondo, il residuo luminoso del Big Bang che permea l’Universo.
Un fotone gamma con un’energia di centinaia di TeV, durante un viaggio così lungo, ha una probabilità molto elevata di interagire con questi fotoni. L’interazione può trasformare l’energia dei due fotoni in una coppia formata da un elettrone e un positrone. Il fotone gamma originale, quindi, scompare.
A circa 300 TeV, questo processo dovrebbe rendere l’Universo sostanzialmente opaco alla radiazione proveniente da una sorgente distante come BOAT. Eppure, Carpet ha osservato un fotone compatibile con questa provenienza.
Una possibile spiegazione era già stata proposta per i fotoni meno energetici osservati da LHAASO. Nel 2023, Galanti, Roncadelli e altri ricercatori avevano studiato la possibilità che durante il viaggio i fotoni si trasformassero temporaneamente in ALP, Axion-Like Particles, particelle ipotetiche estremamente leggere, per poi trasformarsi nuovamente in fotoni. Le ALP potrebbero attraversare lo spazio senza subire lo stesso assorbimento.
Questo meccanismo può spiegare fotoni con energie di alcune decine di TeV. Secondo il nuovo studio, però, le ALP da sole non riescono a spiegare in modo soddisfacente il fotone da 300 TeV.
Una possibile modifica alla propagazione della luce?
I ricercatori hanno quindi considerato un secondo effetto, combinandolo con le oscillazioni tra fotoni e ALP: una possibile violazione dell’invarianza di Lorentz.
L’invarianza di Lorentz è uno dei principi alla base della relatività speciale di Einstein e, tra le altre cose, descrive come le leggi della fisica rimangano le stesse per osservatori che si muovono a velocità costante gli uni rispetto agli altri. Alcuni modelli che cercano di descrivere la gravità quantistica, cioè una teoria ancora incompleta che tenta di conciliare la gravità descritta dalla relatività generale con le leggi della meccanica quantistica, prevedono però che, a energie estremamente elevate, questo principio possa subire piccolissime modifiche. Osservare un effetto di questo tipo potrebbe quindi fornire indicazioni sperimentali su come si comportano insieme gravità e fenomeni quantistici, qualcosa che finora non è stato possibile verificare direttamente.
Nel modello studiato da Galanti e Roncadelli, queste modifiche cambierebbero il modo in cui i fotoni ad altissima energia si propagano e interagiscono con la radiazione presente nell’Universo. Il fotone da 300 TeV avrebbe quindi una probabilità maggiore di sopravvivere durante il viaggio fino alla Terra. Combinando questo effetto con le trasformazioni tra fotoni e ALP, i ricercatori riescono a descrivere sia i fotoni osservati da LHAASO sia quello molto più energetico rilevato da Carpet.
C’è anche un ritardo di circa un’ora
Il modello permette inoltre di spiegare un’altra caratteristica dell’osservazione. Secondo i calcoli, gli effetti considerati sulla propagazione della luce dovrebbero fare arrivare il fotone da 300 TeV circa un’ora dopo i fotoni meno energetici osservati da LHAASO. Ed è proprio un ritardo di questo ordine quello registrato nelle osservazioni.
Lo stesso modello riesce quindi a descrivere due aspetti: come un fotone così energetico possa attraversare oltre due miliardi di anni luce senza essere assorbito, e perché sia arrivato più tardi rispetto ai fotoni meno energetici.
Questo, però, non dimostra che l’invarianza di Lorentz sia stata violata, né costituisce una prova dell’esistenza delle ALP. Si tratta piuttosto di uno scenario teorico, compatibile con le osservazioni di BOAT. Saranno necessari altri eventi simili per verificare se lo stesso comportamento si presenta anche nei fotoni ad altissima energia provenienti da altre sorgenti cosmiche.
