Un fotón de energía extrema llegó a la Tierra tras recorrer dos mil millones de años luz y desafió las leyes conocidas de la física. Según los cálculos de los científicos, una partícula con esas características no debería haber sobrevivido a un viaje tan largo por el espacio.
El hallazgo se produjo tras la explosión de rayos gamma más brillante jamás observada, la GRB 221009A, registrada en octubre de 2022. El evento se originó en el colapso o la colisión de estrellas. El instrumento Carpet, instalado en el Observatorio de Baksan, en Rusia, detectó el fotón.
Una energía imposible de explicar
La partícula registrada tenía una energía de 300 teraelectrón-voltios, aproximadamente 100 billones de veces superior a la de un fotón de luz visible. Este nivel de energía plantea un problema central: el espacio no está completamente vacío. Sino lleno de radiación cósmica de fondo de microondas, conocida como CMB, que corresponde al brillo residual del Big Bang.
Cuando los fotones extremadamente energéticos interactúan con esa radiación de fondo, pueden convertirse en otras partículas y desaparecer. Un fotón con esa energía tendría una probabilidad mínima de atravesar dos mil millones de años luz sin ser destruido.
Hipótesis que desafían la física conocida
Giorgio Galanti, astrofísico del Instituto Nacional de Astrofísica de Italia (INAF), y Marco Roncadelli, del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia (INFN), propusieron explicaciones para este fenómeno inusual. Galanti cuestionó cómo ese fotón logró sobrevivir a un viaje que, según la física conocida, debería haberlo destruido.
Una de las posibilidades implica partículas similares a los axiones, llamadas ALP, que en teoría permitirían que un fotón se transformara durante el viaje y recuperara su forma original, evitando parte de la interacción con la radiación cósmica de fondo.
Sin embargo, los cálculos de los investigadores indican que este mecanismo sería insuficiente por sí solo: explicaría un fotón de 300 TeV en un nivel aproximadamente 100 veces inferior al necesario. Por ello, el análisis incorpora otro elemento fundamental: una posible violación de la invariancia de Lorentz, uno de los pilares de la relatividad especial.
Ciertos modelos de gravedad cuántica sugieren que las reglas vinculadas a la invariancia de Lorentz podrían modificarse en niveles extremos de energía. En esas condiciones, el Universo podría volverse más transparente para fotones de energía excepcional, que atravesarían el espacio con menos obstáculos.
Un retraso que respalda la hipótesis
La hipótesis de la violación de Lorentz recibió respaldo adicional por otra característica observada en la GRB 221009A. El fotón de 300 TeV llegó a la Tierra aproximadamente una hora después que los fotones de menor energía. Un patrón que investigaciones anteriores ya habían asociado con posibles alteraciones en la invariancia de Lorentz.
Este hallazgo, documentado en Physical Review Letters, es la primera ocasión en que dos ideas desarrolladas por separado convergen en una explicación única. Si futuras observaciones lo confirmaran, el universo podría funcionar como un laboratorio natural para estudiar la gravedad cuántica a energías muy superiores a las que cualquier acelerador construido en la Tierra podría alcanzar.
Sin embargo, por ahora la explicación sigue siendo un modelo teórico basado en la observación de un único fotón, e los investigadores reconocieron que necesita confirmación mediante observaciones futuras.
