超高能光子如何穿越20亿光年抵达地球

一个能量约300万亿电子伏特（TeV）的光子，从20多亿光年外的宇宙爆炸中飞来。按现有物理学理论，它本应在传播途中被吸收，为何却能最终抵达地球？对此，意大利国家天体物理研究所和国家核物理研究所团队提出一种新的理论模型，解释了这个迄今观测到的能量最高的伽马射线暴光子为何能够穿越如此遥远的距离。这一解释暗示，在极端条件下，时空的行为方式可能不同于爱因斯坦相对论所描述的情况。相关研究已获《物理评论快报》接收。

这个原本“不该抵达”的光子来自伽马射线暴GRB 221009A。这场爆炸发生在距地球约20亿光年之外，产生的大量光子穿越漫长的宇宙空间，最终抵达地球。科学家在观测数据中发现了一个能量约300 TeV的光子，其创下了伽马射线暴光子的能量纪录。

按照现有物理学理论，这个光子本不应该抵达地球，因为宇宙中遍布着大爆炸留下的宇宙微波背景辐射。对于能量如此之高的光子而言，在穿越20多亿光年时空的过程中，很容易与这些背景辐射中的光子发生相互作用，转化为其他粒子。

因此有科学家猜想，光子在传播过程中可能暂时转化为轴子样粒子（ALP）。这种假想粒子不容易受到宇宙背景辐射影响，可帮助光子避开沿途“障碍”，接近银河系后再重新转化为光子。不过，这种机制能够解释的光子能量有限，仍不足以说明300 TeV光子为何能够抵达地球。

此次，团队提出一种模型假设：在极端高能条件下，光子的传播方式可能出现此前未被观测到的细微变化。部分量子引力理论认为，这种情况下，爱因斯坦狭义相对论中的洛伦兹不变性可能发生轻微偏离。这种变化可能让超高能光子与宇宙背景辐射发生相互作用的概率降低，使宇宙在极端高能下变得更加“透明”。借助这一机制，300 TeV光子便可能避开原本足以让它消失的相互作用，穿越20多亿光年抵达地球。

该模型用一种解释同时说明了两个不同现象：迄今观测到的伽马射线暴中能量最高的光子为何能够穿越20多亿光年抵达地球，以及它为何比低能光子晚约1小时到达。团队计算发现，在这一模型下，能量约300 TeV的光子应比低能光子晚约1小时抵达地球。来自中国“拉索”的观测结果显示，两者的到达时间确实相差约1小时。

不过，这一结果目前只是对理论情景的支持，未来仍需更多观测来检验这一解释。