Este fóton sobreviveu a uma viagem ‘impossível’ à Terra. Para explicar isso, os físicos tiveram que quebrar Einstein

Em 2022, os astrônomos detectaram uma explosão de raios gama absurdamente brilhante e duradoura, GRB 221009A – apelidada de “BOAT”, para “Mais Brilhante de Todos os Tempos” (sério). A chuva de fótons era tão antiga e poderosa que, teoricamente, não deveria chegaram à Terra. E, no entanto, claramente aconteceu. Mas como?

Num artigo publicado ontem na Physical Review Letters, dois físicos oferecem uma solução intrigante para um problema intrigante: partículas hipotéticas do amanhecer cósmico. Especificamente, os pesquisadores propõem que os fótons poderiam se transformar temporariamente em partículas semelhantes a áxions, que são extremamente leves, combinados com um ajuste separado para explicar o comportamento dos fótons em energias extremas.

É esta segunda peça que viola tecnicamente algo chamado Invariância de Lorentzum inquilino chave da relatividade especial de Einstein. Mas o problema é o seguinte: usando este modelo, a dupla previu um efeito secundário que surgiria da jornada do fóton. E acontece que um observatório completamente independente observou exatamente isso. Em outras palavras, há realmente suporte empírico para esta teoria.

“Partimos de uma pergunta muito simples: como esse fóton sobreviveu a uma jornada que, segundo a física conhecida, deveria tê-lo destruído?” Giorgio Galanti, coautor do estudo e astrofísico do Instituto Nacional Italiano de Astrofísica, disse em comunicado. “Procuramos, portanto, um cenário teórico capaz de descrever de forma consistente o que observamos, sem recorrer a correções arbitrárias nas equações.”

‘BARCO’

Como o GRB 221009A era tão poderoso, ele “cegou temporariamente a maioria dos instrumentos de raios gama baseados no espaço”, de acordo com um explicador da NASA – daí o apelido “BOAT”. Mas o sinal também foi excepcionalmente longo, cerca de 10 minutos. O flash permaneceu detectável pelas 10 horas seguintes e logo os astrônomos conseguiram obter algumas estatísticas importantes do BOAT.

Originário de cerca de dois bilhões de anos-luz da Terra, exerceu energias em torno de 300 teraelétron-volts (TeV). Para contextualizar, 1 elétron-volt é a energia cinética de 1 elétron no vácuo de 1 volt; 1 teraelétron-volt equivale a 1 trilhão de elétron-volts. Na altura, especialistas da NASA presumiram que a explosão de luz provinha do nascimento de um novo buraco negro, e investigações subsequentes do sinal consideraram que tais eventos luminosos ocorreriam uma vez em cada 10.000 anos.

Um sinal quebrado?

Então, os astrônomos tiveram que contar com o elefante na sala: a logística da viagem do GRB 221009A à Terra. No artigo, Galanti e o coautor Marco Roncadelli, do Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear, explicaram que GRB 221009A estava “em tensão” com a física convencional. De acordo com o livro de regras da física, os fótons com níveis de energia semelhantes deveriam ter colidido com a radiação cósmica de fundo – vestígios de radiação dos primeiros dias do universo – e sido aniquilados no processo.

No comunicado, a equipe comparou isso a “atirar uma flecha através de uma floresta extremamente densa que se estende por dois bilhões de anos-luz e esperar que ela não atinja uma única árvore”. Portanto, se o sinal chegou aqui – e sabemos que chegou – os fótons devem ter encontrado uma maneira de se esquivar de todas essas árvores ou de ignorá-las completamente.

A dupla acredita que a resposta é a última. Alguns modelos de gravidade quântica permitem uma ligeira flexibilidade numa das regras fundamentais da relatividade especial de Einstein para a matéria nos níveis de energia mais elevados. A dupla acoplou esse mecanismo a partículas semelhantes a áxions. Como resultado, o que se obtém é o que os pesquisadores chamam de “via rápida” do universo, através da qual partículas superleves e muito poderosas atravessam obstáculos como se eles não existissem.

Código de trapaça

Compreensivelmente, isto pode soar como uma solução ad hoc para o problema; afinal, não é como se tivéssemos provas concretas de que existem partículas semelhantes a áxions. A equipa reconheceu isto no artigo, explicando que a sua proposta é apenas uma entre muitas ideias para sondar este sinal inexplicável. Dito isto, os cálculos mais recentes previram um intervalo de uma hora entre uma chuva de fotões de energia mais baixa e a chegada do fotão de 300 TeV à Terra. E, surpreendentemente, foi precisamente isto que um observatório chinês captou na altura.

“O mais interessante do nosso trabalho é que, pela primeira vez, ele reúne duas ideias que até agora haviam sido desenvolvidas separadamente”, disse Roncadelli no comunicado. “Se observações futuras confirmassem este cenário, o Universo tornar-se-ia um laboratório natural para estudar a gravidade quântica com energias enormemente superiores às alcançáveis ​​por qualquer acelerador construído na Terra.”