Neue Theorie erklärt Reise eines Hochenergie-Photons zur Erde

Wissenschaftler haben eine neue Theorie aufgestellt, um zu erklären, wie ein hochenergetisches Photon, das vom hellsten Gammablitz aller Zeiten (BOAT) stammt, über zwei Milliarden Lichtjahre zur Erde reisen konnte, ohne unterwegs absorbiert zu werden.

Der Gammablitz, offiziell als GRB 221009A bezeichnet, wurde erstmals am 9. Oktober 2022 entdeckt. Aus dieser gewaltigen Explosion wurden unzählige Photonen zur Erde geschickt, darunter auch das energiereichste jemals aus einem Gammastrahlenausbruch detektierte Photon. Dieses spezielle Photon wurde vom "Carpet"-Detektor am Baksan-Observatorium in Russland erfasst.

Das Problem war, dass nach den aktuellen physikalischen Gesetzen ein Teilchen mit solch immenser Energie die Erde von einer so weit entfernten Quelle nicht hätte erreichen dürfen. Der dazwischenliegende kosmische Raum ist nicht leer, sondern gefüllt mit "fossiler Strahlung", wie Photonen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB). Hochenergetische Photonen würden mit diesen CMB-Photonen fast zwangsläufig interagieren und sich auf einer Reise von zwei Milliarden Lichtjahren umwandeln. Dennoch traf dieses Photon ein.

Das Forschungsteam schlägt vor, dass sich das Photon während seiner interstellaren Reise in ein hypothetisches, extrem leichtes Teilchen namens axionähnliches Teilchen (ALP) umgewandelt haben könnte. Nach dem Eintritt in die Milchstraßengalaxie könnte es sich wieder in ein Photon zurückverwandelt haben. Dieser Mechanismus allein erklärte jedoch nicht die außergewöhnliche Energie des Photons.

Die Forscher kombinierten die ALP-Hypothese mit einem möglichen Bruch der "Lorentz-Invarianz", einem Grundprinzip von Albert Einsteins Spezieller Relativitätstheorie von 1905. Ihre Vermutung ist, dass bei extrem hohen Energien die Lorentz-Invarianz – die besagt, dass die Gesetze der Physik für alle Beobachter unabhängig von ihrer Geschwindigkeit gleich sind – gebrochen sein könnte. Dieser hypothetische Bruch würde das Ausbreitungsverhalten des Photons im Raum verändern und ihm ermöglichen, eine "kosmische Expressstraße" durch Raumbereiche zu nehmen, die es andernfalls zerstörerisch umwandeln würden.

Dieser theoretische Rahmen erklärt auch Beobachtungsdaten: Das hochenergetische Photon traf etwa eine Stunde später auf der Erde ein als niederenergetische Photonen desselben Gammablitzes, eine Zeitangabe, die mit den Vorhersagen des Modells übereinstimmt. Sollten zukünftige Beobachtungen dieses Modell bestätigen, könnte das Universum als natürliches Labor für die Untersuchung der Quantengravitation auf Energieskalen dienen, die weit über die Reichweite jeder terrestrischen Teilchenbeschleuniger hinausgehen.