Ein einzelnes Photon stellt die Physik vor ein gewaltiges Rätsel. Der Detektor Carpet fing ein Lichtteilchen mit rund 300 Teraelektronenvolt auf, das dem hellsten jemals gemessenen Gammablitz zugeordnet wird und nach den bekannten Naturgesetzen längst auf dem Weg zur Erde hätte absorbiert werden müssen. Eine neue Analyse in Physical Review Letters rechnet nun durch, welche Erweiterungen der Physik das Signal erklären könnten. Im Zentrum steht ausgerechnet eine Grundannahme von Albert Einsteins Relativitätstheorie.
Gammablitze zählen zu den energiereichsten Explosionen im Universum und entstehen etwa beim Kollaps massereicher Sterne, wenn gebündelte Strahlungsjets mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ins All schießen. Am 9. Oktober 2022 registrierten Observatorien weltweit den Ausbruch GRB 221009A, der als hellster jemals gemessener Gammablitz in die Geschichte einging und aus einer Entfernung von rund 2,4 Milliarden Lichtjahren eintraf. Schon damals sorgte das Ereignis für Verblüffung, weil das chinesische Observatorium LHAASO Photonen mit mehr als zehn Teraelektronenvolt auffing, also dem Mehrtausendfachen der Energie sichtbaren Lichts. Das nun analysierte Signal des Detektors Carpet im Kaukasus übertrifft diese Werte noch einmal um mehr als eine Größenordnung und sprengt damit den Rahmen aller gängigen Erwartungen.
Das Problem liegt in der Reise selbst. Hochenergetische Gammaphotonen können unterwegs mit den allgegenwärtigen Lichtteilchen der kosmischen Hintergrundstrahlung zusammenstoßen und dabei Elektron-Positron-Paare erzeugen, wodurch das ursprüngliche Photon verschwindet. Dieser Prozess macht das Universum für Strahlung von mehreren hundert Teraelektronenvolt über große Distanzen praktisch undurchsichtig, vergleichbar mit dichtem Nebel, der fernes Licht schluckt. Für ein Photon mit rund 300 Teraelektronenvolt aus 2,4 Milliarden Lichtjahren Entfernung berechnen konventionelle Ausbreitungsmodelle eine Überlebenschance, die einer Zahl mit 96 Nullen hinter dem Komma entspricht. Dass der Detektor trotzdem ein solches Ereignis registrierte, verlangt deshalb nach einer Erklärung jenseits des Standardbilds.
Die vollständige Auswertung der Messdaten ergab für das photonartige Luftschauer-Ereignis eine Energie von 300 Teraelektronenvolt, mit einer Unsicherheit von plus 43 und minus 38 Teraelektronenvolt. Räumlich und zeitlich passt das Signal auffällig gut zu GRB 221009A, völlig eindeutig ist die Zuordnung jedoch nicht, denn die Analyse beziffert die Wahrscheinlichkeit einer zufälligen Übereinstimmung auf rund 0,9 Prozent. Genau diese Konstellation macht den Fall für Theoretiker so reizvoll, denn entweder handelt es sich um einen seltenen statistischen Zufall, oder ein realer physikalischer Mechanismus hat dem Photon die eigentlich unmögliche Reise erlaubt. Ein Team um Giorgio Galanti vom italienischen Nationalinstitut für Astrophysik INAF und Marco Roncadelli vom Nationalinstitut für Kernphysik INFN hat deshalb systematisch geprüft, welche Ausbreitungsmodelle das Ereignis zulassen.
Ein erster Kandidat sind sogenannte Axion-ähnliche Teilchen, kurz ALPs, hypothetische extrem leichte Partikel, in die sich Photonen in kosmischen Magnetfeldern vorübergehend umwandeln könnten. In dieser Teilchenform wäre die Strahlung gegen die Paarbildung immun und könnte sich später in Magnetfeldern der Milchstraße zurückverwandeln, wodurch die Absorption über weite Strecken teilweise umgangen würde. Solche Umwandlungen wurden bereits als Erklärung für die LHAASO-Photonen des Gammablitzes im Bereich einiger zehn Teraelektronenvolt diskutiert. Für das Carpet-Ereignis genügt der Effekt nach der in Physical Review Letters veröffentlichten Analyse jedoch nicht, denn selbst im günstigsten Parameterbereich bleibt die erwartete Photonenzahl mehr als zwei Größenordnungen unter dem Wert, der für eine beobachtete Detektion statistisch mindestens nötig wäre. Die Axionen allein lösen das Rätsel also nicht.
Als zweite Zutat untersuchten die Forscher eine mögliche Verletzung der Lorentz-Invarianz, einer Grundannahme der speziellen Relativitätstheorie, nach der die Naturgesetze für alle gleichförmig bewegten Beobachter identisch sind. Einige Ansätze zur Quantengravitation sagen voraus, dass diese Symmetrie bei extremen Energien minimal gebrochen sein könnte. In den betrachteten Modellvarianten verschiebt eine solche Abweichung die Energieschwelle für die Paarbildung so weit nach oben, dass ein Photon mit 300 Teraelektronenvolt die kosmische Hintergrundstrahlung deutlich besser durchqueren kann als nach Standardphysik. Besonders stimmig wird das Bild, wenn beide Mechanismen kombiniert werden, denn dann erklären die Axion-Umwandlungen vor allem die weniger energiereichen LHAASO-Photonen, während die gebrochene Symmetrie das extreme Carpet-Ereignis abdeckt. Sogar der mehr als einstündige Zeitversatz zwischen beiden Signalen lässt sich mit demselben Parameterbereich vereinbaren.
Trotz der eleganten Rechnung mahnen die Autoren selbst zur Vorsicht, denn die gesamte Interpretation stützt sich auf ein einzelnes Ereignis, dessen Zuordnung zum Gammablitz statistisch auffällig, aber nicht gesichert ist. Zudem sind sowohl die Axionen als auch die Verletzung der Lorentz-Invarianz bislang rein hypothetisch, weshalb die Arbeit eine konsistente Erklärungsmöglichkeit beschreibt und keinen Nachweis neuer Physik liefert. Sollte sich das Szenario aber durch weitere Beobachtungen erhärten, würde das Universum nach Einschätzung der Forscher zu einem natürlichen Labor für Quantengravitation bei Energien, die kein irdischer Teilchenbeschleuniger jemals erreichen kann. Entscheidend werden künftige Gammablitze mit ähnlich extremen Photonen und präzise vermessenen Ankunftszeiten sein, denn wiederholt sich das Muster, lassen sich die konkurrierenden Modelle streng testen, und bleibt es aus, schrumpft der erlaubte Spielraum für die exotischen Erklärungen erheblich.
Physical Review Letters, Analyse des 300-TeV-Ereignisses von GRB 221009A; doi:10.1103/zjh2-mc47