IT之家 9 月 9 日消息，有一颗光子（也就是光粒子）来自宇宙大爆炸之后最剧烈的宇宙爆发事件，该爆发有个绰号叫“史上最亮伽马暴”（BOAT）。按照现有理论，这颗光子本不可能抵达地球，除非它突破了爱因斯坦所定义的物理规则。如今科学家或许找到了答案：一项新研究解释了这颗高能光子为何能跨越超过 20 亿光年的旅程，没有在途中被吸收。
“史上最亮伽马暴”正式编号为 GRB 221009A，于 2022 年 10 月 9 日首次被探测到。这场爆发涌向地球的海量光子之中，包含人类探测到的首颗源自伽马射线暴的最高能光子。该光子由位于俄罗斯高加索地区巴克桑天文台的超高能宇宙线探测器“地毯”（Carpet）捕获。
问题在于，依据现有的全部物理定律，拥有如此高能量的粒子，不可能从如此遥远的爆炸源头抵达地球。因为宇宙空间并非真空，宇宙中遍布着宇宙大爆炸之后残留下来的“化石辐射场”光子，也就是宇宙微波背景辐射（CMB）。高能光子在长达 20 亿光年的传播途中，几乎必然会和宇宙微波背景光子发生相互作用并发生转化。可这颗光子，最终还是抵达了地球。
研究团队负责人乔治奥 · 加兰蒂（Giorgio Galanti）来自意大利国家天体物理研究所（INAF），他在一份声明中表示：“我们从一个很简单的问题入手：按照已知物理学规律，这颗光子本应在传播途中湮灭，它究竟是如何存活下来的？‘地毯’实验给出的新数据说明，此前提出的各类解释已经不再成立。
“因此我们寻找一套自洽的理论模型，用以描述我们观测到的现象，而不是随意修改物理方程来凑结果。”
一种假说性的粒子转化机制
为解开这颗高能光子抵达地球的谜团，加兰蒂与同事把目光投向了一种质量极轻的假想粒子 —— 类轴子粒子（ALPs）。
类轴子粒子可以解释这一谜题：光子在星际传播过程中转化为类轴子粒子，等到进入银河系范围后，再变回光子。但仅仅依靠这套机制，仍然无法解释这颗光子所具备的超高能量。
该研究团队将类轴子粒子假说，与爱因斯坦 1905 年狭义相对论的一条基本原理 ——“洛伦兹不变性可能发生破缺”相结合。
简单来说，洛伦兹不变性指：以不同速度运动的观测者，所观测到的物理定律应当完全一致。该团队提出的猜想是，在极高能量条件下洛伦兹不变性会被打破，进而改变光子在宇宙空间中的传播规律。
按照团队构建的理论模型，这颗光子可以避开与宇宙微波背景化石光子发生相互作用，从而免于被湮灭。
这项新研究由此推论：当能量足够高时，光子可以走一条“宇宙快车道”，穿过一片对它透明的宇宙空间，避开原本会让它发生破坏性转化的物理效应。
有趣的是，“史上最亮伽马暴”的部分观测证据似乎支持这套理论。按照团队模型预测，这颗高能光子抵达地球的时间，应当比来自同一伽马暴的低能光子晚大约一小时。而观测结果确实如此。
团队成员马尔科 · 龙卡代利（Marco Roncadelli）来自意大利国家核物理研究所（INFN），他表示：“我们这项工作最有价值之处，是首次把两个此前独立发展的理论结合在一起。如果未来观测证实这套模型，宇宙就将成为天然实验室，帮助我们研究量子引力，对应的能量尺度远远超出地球上任何加速器所能达到的水平。”
IT之家注意到，该团队的论文已发布在预印本网站 arXiv，并且获得《物理评论快报》期刊录用，即将正式发表。
热门跟贴