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Um fóton da maior explosão cósmica desde o Big Bang parece ter desafiado Einstein. Os cientistas podem finalmente saber como
Um fóton, ou partícula de luz, da maior explosão cósmica desde o Big Bang, apelidado de “o BARCO” (para o mais brilhante de todos os tempos), não deveria ter alcançado a Terra. Isto é, a menos que desafiasse as regras definidas por Einstein. Agora os cientistas podem saber como o fez, com novas pesquisas a sugerirem como o fotão de alta energia pode ter sobrevivido a uma viagem de mais de dois mil milhões de anos-luz sem ter sido absorvido.
O BARCO, um explosão de raios gama oficialmente designado GRB221009Afoi detectado pela primeira vez em 9 de outubro de 2022. Entre o oceano de fótons do evento que choveu em nosso planeta estava o fóton de maior energia já detectado originário de uma explosão de raios gama. Foi detectado pelo Carpet, um detector de raios cósmicos de ultra-alta energia localizado no Observatório Baksan, no Cáucaso Russo.
O problema é que, de acordo com todas as regras atuais da física, uma partícula com energia tão alta não deveria atingir a Terra a partir de uma explosão que ocorresse a uma distância tão grande. Isso porque o espaço não está vazio; ele é preenchido com um campo de radiação “fóssil” de fótons que sobrou logo após o Big Bang chamado de fundo cósmico de microondas (CMB). Deveria ser virtualmente impossível para um fotão de alta energia viajar 2 mil milhões de anos-luz sem interagir com um fotão CMB e ser transformado. E ainda assim veio.
“Partimos de uma pergunta muito simples: como esse fóton sobreviveu a uma jornada que, segundo a física conhecida, deveria tê-lo destruído?” disse o líder da equipe, Giorgio Galanti, do Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF), em um comunicado. “Os novos dados da experiência Carpet mostraram-nos que as explicações propostas até agora já não eram suficientes.
“Procuramos, portanto, um cenário teórico capaz de descrever de forma consistente o que observamos, sem recorrer a correções arbitrárias nas equações”.
Uma transformação hipotética
Para investigar o mistério de como este fóton de alta energia chegou ao nosso planeta, Galanti e colegas recorreram a partículas hipotéticas incrivelmente leves chamadas áxion-partículas semelhantes (ALPs).
Os ALPS poderiam servir como uma solução para este quebra-cabeça através de um mecanismo que permitiria que os fótons se transformassem em ALPs à medida que viajam e depois se convertessem novamente em fótons à medida que alcançassem a Via Láctea. O problema é que isso ainda não dá conta de um fóton de tão alta energia.
Esta equipe combinou a ideia dos ALPs com uma proposta de violação de um dos fundamentos da teoria de Einstein de 1905. relatividade especial chamada de “invariância de Lorentz”.
Resumindo, a invariância de Lorentz diz que observadores que se movem em velocidades diferentes deveriam experimentar as mesmas leis físicas. A equipe testou a ideia de que a invariância de Lorentz poderia ser violada em altas energias, mudando assim a forma como os fótons se propagam pelo espaço.
No cenário idealizado pela equipe, o fóton teria evitado ser eliminado pelas interações com a CMB, pois evitaria a interação com esses fótons fósseis.
A nova investigação implica, portanto, que com energias suficientemente elevadas, os fotões podem tomar uma “via rápida” através de um universo transparente, esquivando-se à física que normalmente forçaria a sua transformação destrutiva.
Curiosamente, há algumas evidências relacionadas com o BOAT que aparentemente apoiam esta teoria. De acordo com a imagem desenvolvida pela equipe, esse fóton de alta energia deveria ter chegado à Terra cerca de uma hora depois das partículas de luz de baixa energia originadas do BOAT. Na verdade, foi exatamente isso que aconteceu.
“O aspecto mais interessante do nosso trabalho é que, pela primeira vez, ele reúne duas ideias que até agora haviam sido desenvolvidas separadamente”, disse o membro da equipe Marco Roncadelli, do Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN). “Se observações futuras confirmassem este cenário, o universo se tornaria um laboratório natural para estudar gravidade quântica em energias enormemente mais altas do que aquelas alcançáveis por qualquer acelerador construído na Terra.”
A pesquisa da equipe está disponível no site do repositório arXiv e foi aceito para publicação na revista Physical Review Letters.
