Ein extrem energiereicher Gammablitz aus einer Entfernung von zwei Milliarden Lichtjahren hat im Jahr 2022 Physiker vor ein Rätsel gestellt. Ein italienisches Forscherteam schlägt nun vor, dass Axion-ähnliche Teilchen und eine Verletzung der speziellen Relativitätstheorie das scheinbar unmögliche Überleben von 300-TeV-Photonen auf dem Weg zur Erde erklären könnten.
Im Oktober 2022 registrierten Astronomen einen außergewöhnlich hellen Gammablitz mit der Bezeichnung GRB 221009A, der wegen seiner enormen Leuchtkraft intern als „BOAT“ („Brightest of All Time“) bezeichnet wurde. Die freigesetzte Strahlung war so intensiv, dass sie nach Angaben eines NASA-Erklärers die meisten weltraumgestützten Gammastrahlungs-Instrumente vorübergehend blendete.””
Das aus etwa zwei Milliarden Lichtjahren Entfernung eintreffende Phänomen wies Energien von rund 300 Teraelektronenvolt (TeV) auf. Experten vermuteten damals, dass der Lichtblitz bei der Entstehung eines neuen Schwarzen Lochs entstand, und schätzten, dass derartige Ausbrüche statistisch nur etwa einmal alle 10.000 Jahre vorkommen.
Konflikt mit der Standardphysik: Warum das 300-TeV-Signal die Reise nicht hätte überleben dürfen
Die Ankunft dieser hochenergetischen Photonen auf der Erde stand jedoch im Widerspruch zu den bekannten Gesetzen der Physik. Nach dem Standardmodell hätten Photonen dieser Energieklasse auf ihrem Weg durch das Universum mit der kosmischen Hintergrundstrahlung kollidieren und dabei vernichtet werden müssen.
„Wir gingen von einer sehr einfachen Frage aus: Wie konnte dieses Photon eine Reise überleben, die es nach der bekannten Physik hätte zerstören müssen?“
Giorgio Galanti, Astrophysiker am Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
Die Forscher verglichen diesen Prozess damit, einen Pfeil durch einen extrem dichten, zwei Milliarden Lichtjahre langen Wald zu schießen und zu erwarten, dass er keinen einzigen Baum trifft. Dennoch ist das Signal nachweisbar auf der Erde angekommen. Um dieses scheinbar unmögliche Resultat zu erklären, untersuchten Physiker theoretische Ansätze, die über Einsteins spezielle Relativitätstheorie hinausgehen.
Axion-ähnliche Teilchen und Lorentz-Verletzung als theoretischer Lösungsansatz
In einer im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlichten Studie schlagen Giorgio Galanti vom Istituto Nazionale di Astrofisica und Marco Roncadelli vom Istituto Nazionale di Fisica Nucleare eine Kombination aus zwei Mechanismen vor. Bislang wurden diese Ideen in der theoretischen Physik meist getrennt voneinander betrachtet.
Erstens könnten sich Photonen in Magnetfeldern vorübergehend in sogenannte axion-ähnliche Teilchen (ALPs) verwandeln. Diese extrem leichten, hypothetischen Partikel würden es erlauben, die gewöhnliche Absorption über kosmische Distanzen teilweise zu umgehen. Für das 300-TeV-Ereignis reicht dieser Effekt allein jedoch nicht aus.
Deshalb zieht die Analyse als zweite Komponente eine mögliche Verletzung der Lorentz-Invarianz (LIV) heran – einer Grundannahme der speziellen Relativitätstheorie, die in manchen Ansätzen zur Quantengravitation bei extremen Energien leicht modifiziert sein könnte. In entsprechenden subluminalen Modellen verschiebt sich die Schwelle für die Paarbildung, wodurch das Universum transparenter für hochenergetische Photonen wird.
Empirische Übereinstimmung mit Beobachtungen chinesischer Observatorien
Ein entscheidender Punkt der neuen Untersuchung ist, dass das theoretische Modell einen sekundären Effekt vorhersagte, der durch unabhängige Messungen gestützt wird. Die Berechnungen der Forscher ergaben einen zeitlichen Versatz von etwa einer Stunde zwischen dem Eintreffen einer Schauer niedrigerenergetischer Photonen und dem extrem hochenergetischen 300-TeV-Photon.
Genau diesen mehr als einstündigen Zeitversatz zwischen den LHAASO-Photonen und dem sogenannten Carpet-Ereignis hatte eine unabhängige Auswertung bereits aufgezeigt. Der dabei abgeleitete LIV-Parameter deckt sich mit dem von Galanti und Roncadelli zugelassenen Bereich, was beide Beobachtungsmerkmale miteinander vereinbar macht.
Dennoch betonen die beteiligten Wissenschaftler, dass es sich hierbei um einen konsistenten Erklärungsansatz und nicht um einen endgültigen Beweis handelt. Da sowohl axion-ähnliche Teilchen als auch eine Verletzung der Lorentz-Invarianz bislang hypothetisch sind, lässt sich die Quantengravitation auf diese Weise noch nicht experimentell verifizieren.
Sollte sich das Szenario durch künftige Daten bestätigen, könnte das Universum als natürliches Labor dienen, um physikalische Bedingungen zu untersuchen, die mit irdischen Teilchenbeschleunigern unerreichbar sind. Hierfür sind laut den Forschern weitere Gammablitze mit ähnlich extremen Energien und präzise vermessenen Ankunftszeiten erforderlich.
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