Un fotone da 300 TeV, arrivato sulla Terra dopo un viaggio di circa due miliardi di anni luce, potrebbe trasformare uno degli eventi astrofisici più estremi mai osservati in un banco di prova per la fisica oltre i modelli attuali. È questa la prospettiva aperta dallo studio di Giorgio Galanti, ricercatore dell’INAF, e Marco Roncadelli, ricercatore dell’INFN, pubblicato su Physical Review Letters.
Al centro della ricerca c’è GRB 221009A, il lampo gamma osservato il 9 ottobre 2022 e soprannominato BOAT, Brightest Of All Time, per la sua eccezionale luminosità. Tra i fotoni associati all’evento, uno in particolare rappresenta un problema per le spiegazioni disponibili: quello da circa 300 TeV rilevato dall’esperimento Carpet, presso l’Osservatorio del Baksan, nel Caucaso russo.
A rendere l’osservazione scientificamente rilevante non è soltanto l’energia record. Secondo la fisica conosciuta, un fotone di quell’energia proveniente da una distanza cosmologica simile non dovrebbe riuscire ad attraversare indisturbato l’Universo fino alla Terra. Galanti e Roncadelli propongono ora uno scenario che combina due meccanismi finora considerati separatamente: le Axion-Like Particles (ALP) e una possibile violazione dell’invarianza di Lorentz, principio fondamentale della relatività speciale.
Il risultato non costituisce una dimostrazione che le leggi note della fisica siano state violate. Indica, piuttosto, una possibile strada per sottoporre a verifica sperimentale fenomeni che potrebbero emergere soltanto a energie estreme, trasformando sorgenti astrofisiche lontane in laboratori naturali per indagare la gravità quantistica.
Perché il fotone da 300 TeV rappresenta un’anomalia
Il problema nasce dalle condizioni incontrate dalla radiazione durante il viaggio cosmico. Lo spazio intergalattico non è completamente trasparente ai fotoni di energia così elevata: lungo il percorso, questi possono interagire con la radiazione che permea l’Universo e produrre altre particelle, venendo così assorbiti prima di raggiungere un osservatore terrestre.
È proprio qui che il fotone associato a GRB 221009A mette sotto pressione i modelli disponibili. Provenendo da circa due miliardi di anni luce di distanza e trasportando un’energia nell’ordine dei 300 TeV, avrebbe dovuto avere probabilità estremamente ridotte di completare il viaggio fino alla Terra.
«Siamo partiti da una domanda molto semplice: come ha fatto questo fotone a sopravvivere a un viaggio che, secondo la fisica conosciuta, avrebbe dovuto distruggerlo?», spiega Galanti. «I nuovi dati dell’esperimento Carpet ci hanno mostrato che le spiegazioni proposte finora non erano più sufficienti. Abbiamo quindi cercato uno scenario teorico capace di descrivere in modo coerente ciò che osserviamo, senza ricorrere a correzioni arbitrarie delle equazioni».
Una delle ipotesi considerate negli ultimi anni coinvolge le ALP, particelle ipotetiche estremamente leggere. In presenza di determinate condizioni, i fotoni potrebbero convertirsi temporaneamente in queste particelle durante la propagazione attraverso l’Universo e riconvertirsi successivamente in fotoni, aggirando così parte dei processi di assorbimento.
Il meccanismo può offrire una spiegazione per fotoni con energie dell’ordine di alcune decine di TeV, ma, secondo lo studio, non è sufficiente da solo a rendere conto dell’evento da 300 TeV. Da questa difficoltà nasce il passaggio teorico centrale del lavoro.
Galanti e Roncadelli hanno combinato il meccanismo delle ALP con una possibile violazione dell’invarianza di Lorentz. Quest’ultima è uno dei principi alla base della relatività speciale e implica, tra l’altro, che le leggi della fisica mantengano la stessa forma per osservatori inerziali differenti. Alcuni modelli di gravità quantistica contemplano tuttavia la possibilità che, a energie estreme, possano emergere deviazioni molto piccole da questo comportamento.
Applicata alla propagazione del fotone di GRB 221009A, una modifica di questo tipo cambierebbe le condizioni delle interazioni responsabili del suo assorbimento. A quelle energie l’Universo potrebbe quindi risultare più trasparente di quanto previsto dalla descrizione standard, aumentando la possibilità che il fotone raggiunga la Terra.
Dal ritardo del fotone a un possibile test della gravità quantistica
La forza dello scenario proposto non risiede soltanto nella capacità di rendere compatibile la sopravvivenza del fotone con la distanza percorsa. Il modello produce anche una conseguenza osservabile indipendente: un ritardo nell’arrivo della radiazione più energetica.
Secondo i calcoli presentati dai ricercatori, il fotone da 300 TeV dovrebbe raggiungere la Terra circa un’ora dopo i fotoni di energia inferiore osservati da LHAASO, il Large High Altitude Air Shower Observatory cinese. La sequenza temporale osservata risulta compatibile con questa previsione.
È un elemento importante perché lega la proposta teorica a due caratteristiche dello stesso fenomeno: da una parte la capacità del fotone di propagarsi per una distanza che i modelli standard rendono problematica, dall’altra il suo tempo di arrivo rispetto alla radiazione meno energetica. La coincidenza, tuttavia, non equivale a una conferma della violazione dell’invarianza di Lorentz né dell’esistenza delle ALP. Per discriminare lo scenario saranno necessarie ulteriori osservazioni di fenomeni analoghi.
«L’aspetto più interessante del nostro lavoro è che unisce, per la prima volta, due idee sviluppate finora separatamente», osserva Roncadelli. «Se questo scenario fosse confermato da future osservazioni, l’Universo diventerebbe un laboratorio naturale per studiare la gravità quantistica a energie enormemente superiori a quelle raggiungibili da qualsiasi acceleratore costruito sulla Terra».
È questa la prospettiva scientifica che attribuisce al caso GRB 221009A una rilevanza più ampia del singolo record osservativo. Le sorgenti cosmiche più energetiche consentono infatti di studiare particelle che hanno attraversato distanze enormi e condizioni non riproducibili artificialmente sulla Terra. Piccolissimi effetti accumulati durante la propagazione possono, almeno in linea teorica, lasciare tracce misurabili una volta che la radiazione raggiunge i rivelatori.
Il fotone da 300 TeV diventa così non soltanto un’anomalia da spiegare, ma un possibile strumento di indagine. Se future osservazioni di lampi gamma e altri eventi astrofisici estremi dovessero mostrare segnali coerenti con quelli previsti dal modello, sarebbe possibile sottoporre a test sempre più stringenti alcune ipotesi sulla propagazione della luce e sulla gravità quantistica.
Per ora il risultato rimane uno scenario teorico da verificare. Ma proprio la presenza di conseguenze osservabili offre una strada per farlo: nuovi fotoni a energie estreme, provenienti da sorgenti cosmiche sufficientemente lontane, potranno stabilire se il caso di GRB 221009A rappresenti un’eccezione isolata oppure il primo indizio di un comportamento della natura che emerge oltre le scale finora esplorate.
Michelangelo Moles laureato magistrale in Corporate Communication e Media è specializzato nei temi della space economy e della blue economy, con particolare attenzione agli aspetti legati all’innovazione, alla comunicazione strategica e alla divulgazione dei nuovi modelli economici connessi al mare e allo spazio.
Nel corso degli anni ha acquisito una forte capacità di strutturare informazioni, notizie e approfondimenti sui principali comparti dell’economia dello spazio e dell’economia del mare: satelliti, telecomunicazioni, osservazione della Terra, space tech, portualità, logistica, innovazione marittima, sostenibilità, tecnologie dual use e interconnessioni tra settore aerospaziale e blue economy.
