Un fotone che sfida Einstein, la “corsia preferenziale” attraverso il cosmo

Come ha fatto un singolo fotone a percorrere oltre due miliardi di anni luce quando, secondo la fisica conosciuta, avrebbe dovuto essere distrutto molto prima di arrivare a noi? È da questa domanda, apparentemente semplice, che parte il nuovo studio firmato da Giorgio Galanti, ricercatore dell’Istituto nazionale di astrofisica (INAF), e Marco Roncadelli, dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN), pubblicato su Physical Review Letters. Il lavoro affronta uno degli enigmi più discussi dell’astrofisica delle alte energie degli ultimi anni e lo fa proponendo uno scenario che, se confermato, toccherebbe uno dei pilastri della fisica moderna: la relatività speciale di Einstein. La Luna nacque in sole cinque ore? Così cambia la storia dell’impatto gigante Il protagonista: GRB 221009A Tutto ruota attorno a GRB 221009A, il lampo gamma più luminoso mai registrato dagli strumenti umani, osservato il 9 ottobre 2022 e soprannominato dagli astronomi “BOAT” (Brightest Of All Time, il più luminoso di sempre). Un lampo gamma (gamma-ray burst, o GRB) è un’esplosione cosmica brevissima ma di potenza colossale, generalmente associata al collasso di una stella massiccia in un buco nero o alla fusione di due stelle di neutroni: in pochi secondi può liberare più energia di quanto il Sole ne emetterà in tutta la sua esistenza. BOAT mostra un redshift di circa 0,151, un valore che indica lo spostamento verso il rosso della luce emessa da un oggetto, il quale permette di risalire alla distanza che in questo caso equivale a poco più di due miliardi di anni luce, ed è stato rivelato il 9 ottobre 2022 – relativamente “vicino” per gli standard dei lampi gamma, il che ha permesso di osservarlo con un dettaglio senza precedenti in tutte le bande dello spettro elettromagnetico, dai fotoni infrarossi fino alle energie più estreme dei raggi gamma. Tra la pioggia di fotoni che questa esplosione ha inviato verso la Terra, uno in particolare ha attirato l’attenzione degli astrofisici teorici di tutto il mondo. È stato osservato da Carpet, un rivelatore di sciami di particelle atmosferiche situato presso l’Osservatorio del Baksan, sulle montagne del Caucaso russo. La collaborazione scientifica che gestisce lo strumento ha misurato per quel fotone un’energia di circa 300 TeV, con un margine di incertezza di +43/−38 TeV. Questo segnale è stato registrato 4.536 secondi dopo l’attivazione del Fermi Gamma-ray Burst Monitor per questo evento. Per dare un’idea di cosa significa questa energia: un elettronvolt (eV) è l’energia acquisita da un elettrone attraversando una differenza di potenziale di un volt; un teraelettronvolt (TeV) equivale a mille miliardi di elettronvolt. Un fotone da 300 TeV trasporta un’energia pari a circa mille miliardi di volte superiore a quella di un fotone di luce visibile, ed è tra le energie più elevate mai misurate per una singola particella di luce di origine extragalattica. Un’energia record, dunque, ma anche un problema, perché secondo tutti i modelli fisici attualmente accettati, un fotone del genere non sarebbe mai dovuto arrivare fino a noi. Quei nuovi dubbi sull’energia oscura, traballano i pilastri della cosmologia Un viaggio impossibile L’universo, su scale di miliardi di anni luce, non è affatto vuoto. È attraversato da un tenue ma pervasivo bagno di fotoni di bassa energia: la radiazione cosmica di fondo (o CMB, dall’inglese Cosmic Microwave Background), il bagliore residuo del Big Bang che permea ogni angolo del cosmo, a cui si aggiunge la cosiddetta luce extragalattica di fondo (EBL), prodotta nel tempo da tutte le stelle e le galassie dell’universo. Un fotone gamma ad altissima energia che attraversa questo “mare” di fotoni ha un’alta probabilità di scontrarsi con uno di essi. Quando ciò accade, l’energia dei due fotoni può convertirsi – secondo la celebre equivalenza massa-energia di Einstein – in una coppia di particelle materiali: un elettrone e la sua antiparticella, il positrone. Il fotone gamma originario, in questo processo di “produzione di coppie”, semplicemente scompare, trasformato in materia. Più un fotone è energetico, più aumenta la probabilità che questo incontro fatale avvenga lungo il tragitto. A 300 TeV, dopo un viaggio di due miliardi di anni luce, la probabilità di sopravvivenza prevista dai modelli standard è praticamente nulla: è come scagliare una freccia attraverso una foresta fittissima lunga due miliardi di anni luce, sperando che non tocchi mai un solo albero. Eppure quel fotone, contro ogni previsione, è arrivato. E questo non è nemmeno il primo campanello d'allarme sollevato da BOAT: già l'osservatorio cinese LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) aveva rivelato, dallo stesso evento, fotoni con energie superiori a 10 TeV, anch'essi molto difficili da conciliare pienamente con l'opacità attesa dell'Universo a quelle energie. Negli anni successivi alla scoperta di Boat, diversi gruppi di ricerca – tra cui Galanti, Nava, Roncadelli, Tavecchio e Bonnoli, avevano già proposto un meccanismo per spiegare la sopravvivenza dei fotoni più energetici osservati da LHAASO, richiamando in causa le Axion-Like Particles (ALP), particelle ipotetiche, estremamente leggere, non ancora osservate sperimentalmente, ma previste da diverse estensioni del Modello Standard della fisica delle particelle. Il concetto teorico alla base – che i fotoni possano “mescolarsi” con particelle simili agli assioni in presenza di campi magnetici cosmici – era stato discusso dallo stesso gruppo di ricerca già in lavori precedenti, incluso uno studio del 2011 firmato da De Angelis, Galanti e Roncadelli sulla rilevanza delle ALP per l’astrofisica ad altissima energia. L’idea di fondo è la seguente: se le ALP esistono davvero, un fotone gamma può convertirsi temporaneamente in una ALP quando attraversa un campo magnetico cosmico (per esempio quello presente nella sorgente o quello che pervade lo spazio intergalattico), viaggiare per un tratto sotto questa forma “travestita”, per poi riconvertirsi in fotone nei pressi della Via Lattea. Poiché le ALP non interagiscono (o interagiscono pochissimo) con la radiazione di fondo, questo trucco permetterebbe al fotone di “aggirare” il rischio di essere assorbito lungo il tragitto. Il meccanismo funziona bene per spiegare i fotoni fino a energie dell’ordine di alcune decine di TeV, come quelli osservati da LHAASO. Ma applicato al caso del fotone da 300 TeV rivelato da Carpet, i calcoli non tornano: l’effetto delle ALP, da solo, non basta a garantirne la sopravvivenza. Così il telescopio Roman potrebbe riscrivere la cosmologia moderna La nuova proposta È qui che si inserisce il contributo originale del nuovo studio. Per la prima volta, Galanti e Roncadelli hanno combinato il meccanismo delle ALP con l’ipotesi di una possibile, piccolissima violazione dell’invarianza di Lorentz. L’invarianza di Lorentz è uno dei pilastri concettuali della relatività speciale di Einstein: afferma, in sostanza, che le leggi della fisica devono apparire identiche a tutti gli osservatori inerziali, indipendentemente dalla loro velocità relativa e che la velocità della luce nel vuoto è una costante universale, la stessa per chiunque la misuri. Tuttavia, diversi modelli teorici di gravità quantistica prevedono che questa simmetria possa non essere perfetta a energie estremamente elevate, molto vicine alla cosiddetta scala di Planck, l’energia alla quale gli effetti quantistici della gravità dovrebbero diventare rilevanti. Una violazione dell’invarianza di Lorentz di questo tipo cambierebbe leggermente il modo in cui i fotoni ad altissima energia si propagano nello spazio-tempo, alterando le condizioni cinematiche delle interazioni tra particelle. «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». Nel modello proposto dai due ricercatori, l’effetto combinato di conversione in ALP e di violazione dell’invarianza di Lorentz rende l’universo molto più “trasparente” del previsto alle energie estreme raggiunte dal fotone di 300 TeV, permettendogli di evitare le interazioni che, secondo la fisica standard, lo avrebbero fatto sparire ben prima di arrivare sulla Terra. In pratica, il fotone troverebbe una sorta di “corsia preferenziale” attraverso il cosmo, «non perché le leggi della fisica cambino in generale, ma perché a energie così elevate potrebbero entrare in gioco fenomeni che i modelli attuali non contemplano», aggiunge Roncadelli. Artemis sta cambiando rotta? Il Polo Sud lunare non è più così scontato Ciò che rende il risultato convincente agli occhi della comunità scientifica è che il modello non si limita a “salvare” il fotone da 300 TeV, ma fa anche un’altra previsione verificabile in modo indipendente. Se la velocità di propagazione dei fotoni dipende leggermente dalla loro energia, allora un fotone estremamente energetico dovrebbe accumulare, lungo un viaggio di miliardi di anni luce, un piccolo ma misurabile ritardo rispetto a fotoni meno energetici emessi nello stesso istante. Secondo i calcoli di Ofengeim e Piran – basato sul lavoro di Galanti e Roncadelli – il fotone da 300 TeV rivelato da Carpet avrebbe dovuto arrivare sulla Terra circa un’ora dopo i fotoni di energia più bassa (fino a circa 18 TeV) rivelati dall’osservatorio cinese LHAASO. Ed è esattamente quello che i dati mostrano: il fotone di Carpet è stato registrato quando l’emissione ad altissima energia rilevata da LHAASO era già in fase di attenuazione, un ritardo che richiederebbe un meccanismo nuovo per essere spiegato.