Ein von einer fernen Explosion ausgesandtes Photon scheint das Universum durchquert zu haben, obwohl die herkömmliche Physik sein Verschwinden unterwegs vorhersagt.
Die Geschichte beginnt im Oktober 2022 mit GRB 221009A, einem außergewöhnlich hellen Gammastrahlenausbruch. Ein solches Ereignis entspricht einer plötzlichen Energiefreisetzung im Weltraum. Dieser ereignete sich in mehr als 2 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Mehrere Observatorien registrierten daraufhin Gammastrahlung, also Photonen, die wesentlich energiereicher sind als sichtbares Licht.
Position von GRB 221009A von der Erde aus gesehen und Sichtlinie durch die Milchstraße.
Quelle: NASA’s Goddard Space Flight Center
Unter ihnen entdeckte das Observatorium Carpet ein besonders bemerkenswertes Ereignis. Eine erste Analyse schätzte seine Energie auf etwa 251 Teraelektronenvolt. Die vollständige Auswertung der Daten führt nun zu etwa 300 TeV. Es wäre das energiereichste Photon, das in dieser Beobachtung mit diesem Gammastrahlenausbruch in Verbindung gebracht wird.
Das Problem liegt in seiner immensen Reise. Der Weltraum ist nicht vollkommen leer: Er enthält unter anderem die kosmische Hintergrundstrahlung, ein sehr altes Licht, das im gesamten Universum vorhanden ist. Ein derart energiereiches Photon kann auf eines dieser Photonen treffen und bei der Wechselwirkung verschwinden. Über Milliarden Lichtjahre werden seine Chancen, unversehrt anzukommen, daher extrem gering – eine Untertreibung dafür, dass dies höchstwahrscheinlich unmöglich ist.
Giorgio Galanti und Marco Roncadelli haben mehrere Erklärungen untersucht. Sie prüften unter anderem die Möglichkeit, dass sich Photonen vorübergehend in hypothetische Teilchen, sogenannte axionartige Teilchen, umwandeln können. In dieser Form könnte ein Teil der Strahlung leichter reisen. Ihren Berechnungen zufolge erklärt dieser allein eingesetzte Mechanismus das von Carpet beobachtete Photon nur schwer.
Die Forscher testeten daraufhin eine radikalere Möglichkeit: Bei extremen Energien könnte eine grundlegende Regel der Relativität geringfügig anders sein. Diese als Lorentz-Invarianz bezeichnete Regel besagt unter anderem, dass die physikalischen Gesetze für Beobachter, die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, gleich bleiben. Eine Änderung würde die Art und Weise verändern, wie sehr energiereiche Photonen während ihrer Reise wechselwirken.
In einigen untersuchten Modellen macht eine solche Änderung die Reise des 300-TeV-Photons mit den Beobachtungen vereinbar. Die Autoren untersuchen auch Szenarien, die diese Änderung mit axionartigen Teilchen kombinieren. Diese Berechnungen können außerdem andere sehr energiereiche Photonen berücksichtigen, die nach demselben Gammastrahlenausbruch entdeckt wurden.
Vorsicht vor vorschnellen Schlussfolgerungen: Das bedeutet nicht, dass Einsteins Relativitätstheorie gerade widerlegt wurde. Die Studie prüft Modelle, die eine äußerst ungewöhnliche Beobachtung erklären können, aber eine einzige Detektion reicht nicht aus, um ein neues physikalisches Gesetz aufzustellen. Außerdem müssen der Ursprung des Photons noch genau bestätigt und diese Erklärung mit künftigen ähnlichen Ereignissen verglichen werden.
Die nächsten sehr hellen Gammastrahlenausbrüche können diesen Test liefern. Wenn weitere Photonen die Erde mit Energien und aus Entfernungen erreichen, die normalerweise nicht mit ihrem Überleben vereinbar wären, verfügen die Forscher über mehrere unabhängige Fälle. Dann können sie prüfen, ob dasselbe Modell ihre Energien, ihre Wege und ihre Ankunftszeiten erklärt.