Pesquisadores detectaram um fóton com uma energia tão extrema que, segundo as leis da física conhecidas, ele não deveria ter conseguido chegar à Terra. A partícula percorreu cerca de dois bilhões de anos-luz pelo espaço antes de ser identificada, desafiando os limites previstos para a propagação de fótons de alta energia.
A descoberta está relacionada à GRB 221009A, a explosão de raios gama mais brilhante já observada. O fenômeno foi registrado em outubro de 2022 e é resultado de uma explosão extremamente energética associada ao colapso ou à colisão de estrelas.
O fóton foi identificado pelo detector de raios cósmicos Carpet, instalado no Observatório de Baksan, na Rússia. A partícula apresentava 300 teraelétron-volts (TeV), energia cerca de 100 trilhões de vezes maior que a de um fóton de luz visível.
O problema é que o espaço não é completamente vazio. Ele é preenchido pela radiação cósmica de fundo em micro-ondas, o chamado CMB, que corresponde ao brilho remanescente do Big Bang.
Quando fótons extremamente energéticos interagem com essa radiação, podem ser convertidos em outras partículas. Por isso, um fóton com a energia observada deveria ter poucas chances de sobreviver a uma viagem tão longa.
É como se uma flecha tivesse atravessado uma floresta extremamente densa por dois bilhões de anos-luz sem atingir nenhuma árvore.
Uma possível explicação para o fóton “impossível”
- Pesquisadores do Instituto Nacional de Astrofísica da Itália (INAF) e do Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália (INFN) tentaram encontrar uma explicação para o fenômeno;
- “Começamos com uma pergunta muito simples: como esse fóton sobreviveu a uma viagem que, de acordo com a física conhecida, deveria tê-lo destruído?”, questionou o astrofísico do INAF Giorgio Galanti, segundo o artigo;
- Uma das possibilidades envolve as chamadas partículas semelhantes a áxions, ou ALPs. Em teoria, um fóton poderia se transformar nesse tipo de partícula durante sua viagem e depois voltar a ser um fóton, evitando parte da interação com a radiação cósmica de fundo;
- A hipótese, porém, não seria suficiente sozinha para explicar um fóton de 300 TeV. Segundo os cálculos dos pesquisadores, as ALPs ficariam aproximadamente 100 vezes aquém do necessário nesse caso;
- Por isso, o estudo acrescenta outro elemento: uma possível violação da invariância de Lorentz, um dos fundamentos da relatividade especial.
Alguns modelos de gravidade quântica sugerem que as regras relacionadas à invariância de Lorentz poderiam sofrer alterações em níveis extremos de energia. Em condições como essas, o Universo poderia se tornar mais transparente para fótons de altíssima energia.
A ideia seria semelhante à existência de uma espécie de “faixa rápida” para essas partículas atravessarem o espaço.
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Fóton chegou uma hora depois de partículas menos energéticas
A hipótese também poderia explicar outra característica observada na GRB 221009A.
O fóton de 300 TeV chegou à Terra aproximadamente uma hora depois de fótons de energia mais baixa. Segundo o artigo, outro estudo já havia apontado que esse atraso poderia ser explicado por uma possível violação da invariância de Lorentz.
Para os pesquisadores, a parte mais interessante é justamente a combinação dessas duas ideias, que até então haviam sido desenvolvidas separadamente.
“O aspecto mais interessante do nosso trabalho é que, pela primeira vez, ele reúne duas ideias que até agora haviam sido desenvolvidas separadamente”, afirmou o astrofísico Marco Roncadelli, do INFN.
Caso futuras observações confirmem o cenário, o Universo poderia funcionar como laboratório natural para estudar a gravidade quântica em energias muito superiores às que qualquer acelerador construído na Terra seria capaz de alcançar.
Por enquanto, porém, a explicação continua sendo apenas um modelo teórico baseado na observação de um único fóton. Novos eventos semelhantes serão necessários para determinar se o fenômeno realmente pode ser explicado dessa maneira.
“Nem é preciso dizer que nossas descobertas precisam de confirmações adicionais por meio de observações futuras”, escreveram os pesquisadores no estudo publicado na Physical Review Letters.
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