Fotão de 300 TeV da GRB 221009A percorre 2 mil milhões de anos-luz

As leis da física aceites impõem limites à distância que os fotões conseguem percorrer no espaço. Contudo, investigadores identificaram agora um fotão que parece ter ultrapassado essas regras fundamentais e realizado o impossível: viajar 2 mil milhões de anos-luz até à Terra.

O fundo cósmico que deveria travar os fotões

O espaço não está verdadeiramente tão vazio quanto se poderia supor.

Está repleto de radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), o débil brilho remanescente do Big Bang, que interage com fotões de alta energia e os transforma noutras partículas.

Para um fotão carregado de energia, não há forma de evitar a CMB - mas, de algum modo, isso aconteceu. É como disparar uma flecha através de uma floresta densa com 2 mil milhões de anos-luz de extensão sem acertar numa única árvore.

Num novo estudo publicado em Cartas de Revisão Física, investigadores do Instituto Nacional de Astrofísica italiano (INAF) e do Instituto Nacional de Física Nuclear italiano (INFN) consideram poder ter encontrado uma explicação.

"Partimos de uma pergunta muito simples: como sobreviveu este fotão a uma viagem que, segundo a física conhecida, o deveria ter destruído?", afirma o astrofísico Giorgio Galanti, do INAF.

A história começou em outubro de 2022, quando foi observada a explosão de raios gama mais brilhante alguma vez detetada, a GRB 221009A. Estas explosões de raios gama são libertações intensas de energia produzidas por estrelas que colapsam ou colidem.

O fotão de 300 TeV da GRB 221009A

No interior desta explosão de raios gama extraordinária encontrava-se um fotão igualmente excecional, identificado pelo detetor de raios cósmicos Carpet, situado no Observatório de Baksan, na Rússia. Com uma medição de 300 teraeletrão-volt (TeV), transportava cerca de 100 biliões de vezes mais energia do que um fotão de luz visível.

Os investigadores já tinham debatido hipóteses sobre viagens de fotões a grandes distâncias, mas apenas para energias de algumas dezenas de teraeletrão-volt. Este caso era diferente.

"Os novos dados da experiência Carpet mostraram-nos que as explicações propostas até agora deixaram de ser suficientes", diz Galanti.

"Por isso, procurámos um cenário teórico capaz de descrever de forma coerente aquilo que observamos, sem recorrer a correções arbitrárias das equações."

Partículas semelhantes a axiões e invariância de Lorentz

A proposta dos investigadores é a seguinte: parte do fenómeno poderá envolver partículas semelhantes a axiões, ou ALP, nas quais os fotões podem, em teoria, transformar-se antes de regressarem à sua forma original. Assim, evitariam a radiação CMB durante o percurso.

A hipótese das ALP já tinha sido avançada e funciona para fotões com algumas dezenas de teraeletrão-volt. Porém, para um fotão com esta energia, os cálculos dos investigadores indicam que as ALP, por si só, ficam cerca de 100 vezes aquém do necessário.

O estudo acrescenta a ideia de uma violação da invariância de Lorentz, um dos pilares da relatividade especial.

Alguns modelos de gravidade quântica sugerem que as regras da invariância de Lorentz podem começar a alterar-se nos níveis de energia mais elevados, algo que certamente se aplicaria neste caso. Isso poderia tornar o Universo mais transparente para o fotão enquanto este atravessa o espaço a grande velocidade.

Segundo os investigadores, seria quase como uma via rápida para a deslocação de fotões de alta energia. As leis da física não estão a mudar, mas condições extremas fazem surgir efeitos extremos.

"O aspeto mais interessante do nosso trabalho é que, pela primeira vez, reúne duas ideias que até agora tinham sido desenvolvidas separadamente", afirma o astrofísico Marco Roncadelli, do INFN.

"Se observações futuras confirmarem este cenário, o Universo tornar-se-á um laboratório natural para estudar a gravidade quântica a energias enormemente superiores às que qualquer acelerador construído na Terra pode alcançar."

A teoria proposta também é compatível com outra observação da GRB 221009A: o fotão de 300 TeV chegou cerca de uma hora depois dos fotões de menor energia. Um estudo separado concluiu que este atraso também poderia ser explicado por este tipo de violação da invariância de Lorentz.

Ainda há muito trabalho a realizar e muitos dados a recolher. Por enquanto, trata-se de um modelo teórico baseado num único fotão, mas observações futuras de acontecimentos semelhantes deverão ajudar a confirmar de que forma esta estranha anomalia física pode ocorrer.

"Escusado será dizer que os nossos resultados exigem confirmações adicionais através de observações futuras", escrevem os investigadores no artigo publicado.

"Só o tempo dirá se as duas pistas acima referidas correspondem a descobertas reais."

A investigação foi publicada em Cartas de Revisão Física.

Este artigo foi verificado quanto aos factos por Rebecca Dyer e editado por Rebecca Dyer. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, informe-nos.