როგორ გადაურჩა ფოტონი 2 მილიარდზე მეტი სინათლის წლის მანძილზე მოგზაურობას მაშინ, როცა თანამედროვე ფიზიკის მიხედვით, იგი დედამიწამდე მოღწევამდე დიდი ხნით ადრე უნდა შთანთქმულიყო? იტალიის ასტროფიზიკის ეროვნული ინსტიტუტის მეცნიერების, ჯორჯო გალანტისა და მარკო რონკადელის, ახალი კვლევის ცენტრში სწორედ ეს კითხვა დგას.

ნაშრომი თანამედროვე ასტროფიზიკის ერთ-ერთ ყველაზე საინტერესო თავსატეხს ეხება. ის გამა-ანთებისას დაფიქსირებული ყველაზე მაღალი ენერგიის მქონე ფოტონის შესაძლო ახსნას გვთავაზობს. კვლევაში გამოთქმულია ვარაუდი, რომ ექსტრემალურ პირობებში დრო-სივრცის მახასიათებლები, შესაძლოა, განსხვავებული იყოს, ვიდრე ამას აინშტაინის ფარდობითობის თეორია პროგნოზირებს.

საქმე ჩვენ მიერ დაფიქსირებულ ყველაზე კაშკაშა გამა-ანთებას, GRB 221009A-ის, ეხება. მას ასტრონომებმა მეტსახელად BOAT (Brightest Of All Time, ანუ ყველა დროის ყველაზე კაშკაშა) შეარქვეს. გამოსხივების ეს ნაკადი დედამიწიდან დაახლოებით 2 მილიარდი სინათლის წლის მოშორებით, 2022 წლის 9 ოქტომბერს, დაფიქსირდა. მან აქამდე სინათლის ელემენტარული ნაწილაკების, ფოტონების, სახით მოაღწია.

კვანტურ დრო-სივრცეში მოძრავი, GRB 221009A-ის მიერ გამოსხივებული ულტრამაღალი ენერგიის ფოტონების ნაკადის მხატვრული ილუსტრაცია.

ფოტო: INAF / ჯორჯო გალანტი

მათ შორის ერთი ფოტონი გამორჩეული იყო. ის რუსეთში მდებარე ბაქსანის ობსერვატორიის ულტრამაღალი ენერგიის კოსმოსური სხივების დეტექტორით Carpet დააფიქსირეს. მისი ენერგია დაახლოებით 300 ტერაელექტრონვოლტს (TeV) შეადგენდა (რაც ჩვეულებრივი სინათლის ფოტონისას დაახლოებით 100 ტრილიონჯერ აღემატება). ეს ფიზიკის თანამედროვე მოდელებს გამოწვევის წინაშე აყენებს, რადგან მათი მიხედვით, მსგავსი ნაწილაკი დედამიწამდე ვერ მოაღწევდა.

რეკორდი, რომელიც არ უნდა არსებობდეს

მიზეზი ისაა, რომ სამყარო მთლიანად ცარიელი არ არის. ეს ფოტონი გზად კოსმოსური მიკროტალღური ფონის (სამყაროს პირველადი სინათლის ნარჩენი) ფოტონებთან უნდა შესულიყო ურთიერთქმედებაში. შედეგად, ის სხვა ნაწილაკებად გარდაიქმნებოდა და დედამიწამდე მოღწევამდე დიდი ხნით ადრე გაქრებოდა. ეს იმას ჰგავს, 2 მილიარდი სინათლის წლის მანძილზე გადაჭიმულ მჭიდრო ტყეში ისარი ისროლო და ელოდო, რომ ის არცერთ ხეს არ მოხვდება. თანამედროვე ფიზიკის მიხედვით, ამგვარი რამ პრაქტიკულად შეუძლებელია, თუმცა ერთი ფოტონი საწინააღმდეგოზე მიანიშნებს.

ბოლო წლებში თავსატეხის ერთ-ერთი შესაძლო ახსნა აქსიონის მსგავს ნაწილაკებს (ALPs) უკავშირდებოდა, რომლებიც უკიდურესად მსუბუქი ჰიპოთეზური ნაწილაკებია. ამ მსჯელობის მიხედვით, კოსმოსში გადაადგილებისას ფოტონები, შესაძლოა, დროებით ALPs-ად გარდაქმნილიყო, ირმის ნახტომთან მოახლოებისას კი კვლავ პირვანდელი სახე დაებრუნებინა. ეს მექანიზმი რამდენიმე ათეული ტერაელექტრონვოლტის ენერგიის მქონე ფოტონების არსებობას ხსნის, მაგრამ 300 TeV-ისას — არა.

"ძალიან მარტივი კითხვით დავიწყეთ: როგორ გადაურჩა ეს ფოტონი ისეთ მოგზაურობას, რომელსაც, თანამედროვე ფიზიკის მიხედვით, ის უნდა გაენადგურებინა?", — ამბობს ჯორჯო გალანტი — "Carpet-ის ექსპერიმენტის ახალმა მონაცემებმა გვაჩვენა, რომ აქამდე შემოთავაზებული ახსნები საკმარისი აღარ იყო. შესაბამისად, დავიწყეთ ისეთი თეორიული სცენარის ძიება, რომელიც დაკვირვების შედეგებს თანმიმდევრულად აღწერდა და ამისთვის განტოლებებში შესწორებების ხელოვნურად შეტანა არ დაგვჭირდებოდა".

სადაც ფარდობითობა, შესაძლოა, იცვლება

სწორედ აქ ერთვება საქმეში ახალი კვლევა. მკვლევრებმა ALP მექანიზმი ლორენცის ინვარიანტობის შესაძლო დარღვევასთან პირველად გააერთიანეს. ეს უკანასკნელი აინშტაინის ფარდობითობის სპეციალური თეორიის ერთ-ერთი ფუნდამენტური თვისებაა. კვანტური გრავიტაციის ზოგიერთი მოდელის მიხედვით, უმაღლესი ენერგიების პირობებში ეს მახასიათებელი შეიძლება ოდნავ შეიცვალოს, რაც სივრცეში ფოტონების გავრცელებაზეც იმოქმედებს.

ამ სცენარის მიხედვით, ფოტონი ახერხებს, თავიდან აირიდოს ის ურთიერთქმედებები, რომლებიც, სტანდარტული ფიზიკის თანახმად, მას მოგზაურობისას გაანადგურებდა. შესაბამისად, ასეთი გამორჩეული ენერგიების დროს სამყარო ბევრად უფრო "გამჭვირვალე" ხდება, რაც ნაწილაკს დედამიწამდე მოღწევის საშუალებას აძლევს.

ახალი მოდელის მიხედვით, ფოტონი კოსმოსში ერთგვარ "ჩქაროსნულ ზოლს" პოულობს. ეს არ ნიშნავს იმას, რომ ფიზიკის კანონები იცვლება, არამედ, უბრალოდ, მაღალი ენერგიისას, შესაძლოა, ისეთი ეფექტები ამოქმედდეს, რომლებიც აქამდე არასდროს შეგვიმჩნევია.

მეორე მინიშნება დაგვიანებაში

შედეგს განსაკუთრებით საინტერესოს კიდევ ერთი დეტალი ხდის. მოდელი არა მხოლოდ იმას ხსნის, თუ როგორ მოახერხა ფოტონმა დედამიწამდე მოღწევა, არამედ მეორე დაკვირვებად ეფექტსაც პროგნოზირებს. გამოთვლების თანახმად, 300 TeV ენერგიის ფოტონმა დაახლოებით ერთი საათით გვიან უნდა მოაღწიოს, ვიდრე დაბალი ენერგიის მქონე იმ ფოტონებმა, რომლებიც ჩინეთის ობსერვატორიამ LHAASO დააფიქსირა. სწორედ ეს მოხდა სინამდვილეშიც.

"ჩვენი ნაშრომის ყველაზე საინტერესო ასპექტი ის არის, რომ მან პირველად გააერთიანა ორი იდეა, რომლებიც აქამდე ცალ-ცალკე ვითარდებოდა", — ამბობს მარკო რონკადელი — "თუ სამომავლო დაკვირვებები ამ სცენარს დაადასტურებს, სამყარო კვანტური გრავიტაციის შესასწავლად ბუნებრივ ლაბორატორიად გადაიქცევა. ეს ისეთი ენერგიების შესწავლის საშუალებას მოგვცემს, რომლებიც დედამიწაზე არსებული ნებისმიერი ამაჩქარებლის შედეგებს გაცილებით აღემატება".

შესაბამისად, მოდელს ერთი ახსნით ორი განსხვავებული ფენომენის დასაბუთება შეუძლია: გამა-ანთების ყველაზე მაღალი ენერგიის მქონე ფოტონის გადარჩენა და დედამიწამდე მისი დაგვიანებული მოღწევა დაბალი ენერგიის ფოტონებთან შედარებით. ახალი შედეგი შემოთავაზებულ თეორიულ სცენარს ამყარებს, თუმცა მის შესამოწმებლად დამატებითი დაკვირვებები იქნება საჭირო.

გუნდის კვლევა არარეფერირებად პლატფორმა arXiv-ზეა ხელმისაწვდომი და გამოსაქვეყნებლად ჟურნალ Physical Review Letters-შია მიღებული.

თუ სტატიაში განხილული თემა და ზოგადად: მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების სფერო შენთვის საინტერესოა, გამოიწერე ჩვენი YouTube არხი და უყურე თემატურ ვიდეოებს.