Cómo un fotón del BOAT podría haber desafiado a Einstein

Un fotón que llegó y no debería haberlo hecho

En octubre de 2022, el cielo se iluminó con la ráfaga de rayos gamma más brillante jamás registrada. Los astrónomos la apodaron BOAT, las siglas en inglés de Brightest Of All Time (la más brillante de todos los tiempos). Durante semanas dominó titulares e instrumentos en todo el sistema solar.

Pero enterrados en esos datos había un detalle que apenas saltó a la noticia hasta ahora.

Un fotón, que transportaba más energía que cualquier otro detectado previamente procedente de una ráfaga de rayos gamma, llegó a la Tierra tras recorrer más de dos mil millones de años luz. Según todo cálculo de manual, no debería haber sobrevivido.

Por qué este fotón es un problema

El espacio no está vacío. Entre las galaxias se extiende un mar difuso de luz antigua: el fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés), el resplandor remanente del Big Bang. Esos fotones relicta de baja energía están por todas partes. Cuando un fotón de rayos gamma de alta energía choca con un fotón del CMB, la interacción debería producir un par electrón-positrón y destruir al fotón original casi al instante.

A lo largo de dos mil millones de años luz, eso significa que un fotón de alta energía debería haber sido absorbido y reemitido incontables veces. En teoría, no debería haber llegado en absoluto.

El detector Carpet, en el Observatorio Baksan de Rusia, lo atrapó de todas formas.

“Partimos de una pregunta muy sencilla: ¿cómo sobrevivió este fotón a un viaje que, según la física conocida, debería haberlo destruido?”, comentó Giorgio Galanti, del Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF), quien dirigió la nueva investigación publicada en arXiv y aceptada para su publicación en Physical Review Letters.

Dos ideas antiguas, una combinación nueva

Galanti y sus colaboradores, entre ellos Marco Roncadelli del Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN), no recurrieron a parches arbitrarios. Construyeron un modelo a partir de componentes que ya existían en la literatura de la física y los unieron de una manera nunca antes intentada.

El primer ingrediente son las partículas similares a los axiones (ALP, por sus siglas en inglés). Estos bosones hipotéticos y ultraligeros se han propuesto como candidatos a materia oscura y como mediadores de nuevas fuerzas entre partículas estándar. En teoría, un fotón que viaja a través de campos magnéticos intergalácticos puede oscilar hacia un ALP y volver a convertirse en fotón. Durante la fase de ALP, no interactuaría en absoluto con los fotones del CMB, atravesando efectivamente el campo de radiación fósil sin ser visto.

Este mecanismo, sin embargo, no puede explicar por sí solo un fotón con la energía observada en el caso BOAT. Los cálculos muestran que la conversión mediante ALP se ve suprimida a estas energías.

Así que el equipo añadió un segundo ingrediente: una violación de la invariancia Lorentz a altas energías.

La invariancia Lorentz es la base de la relatividad especial. Establece que las leyes de la física son las mismas para todos los observadores, independientemente de su movimiento uniforme. Ha sobrevivido a todas las pruebas experimentales durante más de un siglo. Pero algunas teorías de gravedad cuántica predicen que, a energías cercanas a la escala de Planck, la simetría Lorentz podría desmoronarse de maneras sutiles, alterando la forma en que los fotones se propagan a través del vacío.

El carril rápido

Cuando la física de los ALP se combina con una dispersión que viola la invariancia Lorentz, el viaje del fotón BOAT adquiere un carácter notablemente distinto. A energías suficientemente altas, el fotón ya no interactúa con el campo del CMB de la forma estándar. Encuentra efectivamente un canal transparente, un carril rápido a través de lo que debería haber sido un universo opaco.

El modelo hace una predicción específica y verificable sobre los tiempos.

Si el fotón viajó por esta vía alterada, debería haber llegado con un retraso respecto a los fotones de menor energía emitidos por la ráfaga. El cálculo situaba ese retardo en aproximadamente una hora. Cuando los astrónomos revisaron los tiempos de llegada del evento BOAT, eso es exactamente lo que encontraron.

“El aspecto más interesante de nuestro trabajo es que, por primera vez, reúne dos ideas que hasta ahora se habían desarrollado por separado”, afirmó Roncadelli.

Por qué esto importa más allá del BOAT

Un único fotón anómalo resulta intrigante. No constituye una revolución. Pero las implicaciones, de confirmarse, van al corazón de la física moderna.

El BOAT proporciona un acelerador natural muy por encima de cualquier cosa que la humanidad haya construido. El Gran Colisionador de Hadrones alcanza energías de unos 13 teraelectrónvoltios. Los fotones del BOAT transportaban energías varias órdenes de magnitud superiores. Si el modelo de ALP más violación de Lorentz es correcto, el propio universo se ha convertido en un laboratorio para sondear la gravedad cuántica a escalas de energía que requerirían un acelerador del tamaño de una galaxia para replicarse en la Tierra.

Ese es el tipo de afirmación con la que los físicos se acercan con el escepticismo más justificado. Pero también es el tipo de momento que separa la ciencia rutinaria de los cambios de paradigma.

Quién gana y quién pierde

Si este resultado se sostiene, los principales beneficiarios serán los investigadores que trabajan en gravedad cuántica, el esfuerzo teórico por reconciliar la relatividad general con la mecánica cuántica. Una violación confirmada de la invariancia Lorentz proporcionaría el primer apoyo empírico en un campo que ha operado casi totalmente sin aportes experimentales.

La relatividad especial estándar, tal como la formuló Einstein en 1905, necesitaría una revisión a energías extremas. No una destrucción: nadie afirma eso. Pero la aplicabilidad universal de la invariancia Lorentz, tratada como sagrada durante generaciones, adquiriría una condición límite documentada.

La física de los axiones también obtendría una nueva y potente vía de validación. Las partículas similares a los axiones siguen sin detectarse a pesar de décadas de búsquedas. Un mecanismo que explicara una observación altrimenti imposible mediante la conversión a ALP elevaría significativamente su perfil.

Los escépticos, naturalmente, exigirán una confirmación independiente. El problema de la absorción por parte del CMB está bien establecido. Producir un fotón procedente de una ráfaga de rayos gamma lejana con suficiente energía como para desencadenar tales interacciones también es un proceso bien comprendido. Un único evento, por dramático que sea, no cierra el debate.

Qué sucede a continuación

El preprint en arXiv aún espera la revisión por pares, aunque su aceptación en Physical Review Letters sugiere un compromiso serio. El siguiente paso no consiste en más acrobacias teóricas, sino en la observación.

Las futuras ráfagas de rayos gamma detectadas por instrumentos como el Cherenkov Telescope Array, que comenzará operaciones plenas en los próximos años, pondrán a prueba si esta firma del BOAT se repite. Si los fotones de alta energía procedentes de ráfagas lejanas continúan llegando en números y con patrones temporales que coincidan con el modelo de ALP más violación de Lorentz, el caso se fortalece. Si los eventos posteriores se ajustan a las predicciones estándar de absorción, la anomalía del BOAT quedará como un caso aislado.

Cualquier desenlace sería valioso. En cualquier caso, el fotón BOAT ya ha cumplido su función: ha obligado a los físicos a mirar dos ideas familiares juntas y a preguntarse si el universo se comporta de manera diferente de lo que pensaban en sus límites más extremos.

La relatividad de Einstein nunca ha fallado cuando ha sido puesta a prueba. Siempre ha sido precisa. Pero precisión y carácter definitivo no son lo mismo. El BOAT podría haber encontrado el borde de esa precisión y, al hacerlo, abierto una puerta que podría redefinir lo que los físicos creen sobre la estructura del propio espacio-tiempo.
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