Dieses Photon dürfte die Erde nie erreicht haben: Stimmt etwas mit Einsteins Physik nicht?
Ein Photon könnte zwei Milliarden Lichtjahre bis zur Erde gereist sein. Eigentlich hätte es unterwegs verschwinden müssen. Ist Einsteins Physik unvollständig?
Künstlerische Darstellung eines Gammablitzes mit gebündeltem Jet: Vom Gammablitz GRB 221009A könnte ein Photon mit rund 300 TeV Energie bis zur Erde gelangt sein. Nach gängigen Modellen hätte es auf dem Weg durch die kosmische Hintergrundstrahlung eigentlich absorbiert werden müssen.
Foto: NASA/Swift/Cruz deWilde
Ein extrem energiereiches Photon könnte fast zwei Milliarden Jahre durch das Universum gereist sein und schließlich die Erde erreicht haben. Genau das dürfte nach den üblichen Vorstellungen eigentlich kaum möglich sein. Auf dem Weg hätte es mit der Strahlung im All zusammenstoßen und verschwinden müssen.
Doch ein Detektor im Kaukasus hat einen Teilchenschauer registriert, der sehr wahrscheinlich auf ein Photon mit rund 300 Teraelektronenvolt zurückgeht. Die Richtung passt zu einem außergewöhnlichen Gammablitz namens GRB 221009A.
Eine neue Studie geht deshalb einer ungewöhnlichen Frage nach: Gilt Einsteins spezielle Relativitätstheorie auch bei solch extremen Energien vollkommen exakt? Noch gibt es dafür keinen Beweis. Denn schon die Herkunft des Photons ist nicht zweifelsfrei geklärt.
Inhaltsverzeichnis
- Ein Gammablitz, heller als alle zuvor
- Was Carpet-3 tatsächlich gemessen hat
- Warum das Photon eigentlich hätte verschwinden müssen
- Was hat Einstein damit zu tun?
- Neue Physik könnte das Rätsel erklären
- Andere Messungen sprechen bislang gegen größere Abweichungen
- Gibt es noch eine andere Erklärung?
- Auch die verspätete Ankunft fällt auf
- Stimmt nun etwas mit Einsteins Physik nicht?
Ein Gammablitz, heller als alle zuvor
Am 9. Oktober 2022 leuchtete ein Gammablitz auf, der selbst Astronomen überraschte. GRB 221009A war so hell, dass er später den Spitznamen „BOAT“ bekam – „Brightest Of All Time“. Der Gammablitz ereignete sich in einer Entfernung, aus der das Licht rund zwei Milliarden Jahre bis zur Erde benötigt.
Solche Explosionen gehören zu den energiereichsten Ereignissen im Universum. Schon kurz nach dem Ausbruch registrierten Observatorien ungewöhnlich energiereiche Gammastrahlung. Doch eine Messung stach besonders heraus. Der Detektor Carpet-3 am Baksan-Neutrino-Observatorium im Kaukasus erfasste rund 76 Minuten nach Beginn des Gammablitzes einen gewaltigen Teilchenschauer in der Erdatmosphäre.
Was Carpet-3 tatsächlich gemessen hat
Der Detektor hat das ursprüngliche Photon nicht direkt aufgefangen. Ein extrem energiereiches Teilchen trifft zunächst auf die Erdatmosphäre. Dort stößt es mit Luftmolekülen zusammen und löst eine Kaskade aus vielen neuen Teilchen aus. Diese erreichen schließlich den Boden.
Aus diesem Schauer können Forschende zurückrechnen, welches Teilchen ihn vermutlich ausgelöst hat. Das Ergebnis: Sehr wahrscheinlich war es ein Photon mit einer Energie von ungefähr 300 TeV. Zum Vergleich: Sichtbares Licht besteht ebenfalls aus Photonen. Deren Energie liegt jedoch viele Billionen Mal niedriger.
Die Forschenden halten es für äußerst unwahrscheinlich, dass stattdessen ein Proton oder ein anderes geladenes Teilchen den Schauer verursacht hat. Unsicherer ist eine andere Frage: Kam dieses Photon wirklich von GRB 221009A?
Richtung und Zeitpunkt passen. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese Übereinstimmung rein zufällig zustande kam, beziffert Carpet-3 allerdings noch mit rund 0,9 %. Das ist wenig, aber nicht wenig genug, um die Herkunft zweifelsfrei festzulegen. Und genau davon hängt das ganze Rätsel ab.
Warum das Photon eigentlich hätte verschwinden müssen
Das Universum sieht leer aus, ist es aber nicht. Überall befindet sich Strahlung. Besonders wichtig ist die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Sie ist vereinfacht gesagt das stark abgekühlte Nachglühen des Urknalls und erfüllt den gesamten Weltraum.
Für normale Lichtteilchen ist sie kaum ein Hindernis. Für ein Photon mit 300 TeV sieht das anders aus. Trifft ein solches Gammaphoton auf ein geeignetes Photon der Hintergrundstrahlung, können beide verschwinden. Aus ihrer Energie entstehen stattdessen zwei neue Teilchen: ein Elektron und ein Positron. Das hochenergetische Photon ist damit weg.
Je länger seine Reise dauert, desto größer wird die Wahrscheinlichkeit für eine solche Begegnung. Genau deshalb bereitet das Carpet-3-Ereignis den Forschenden Kopfzerbrechen. Wenn das Photon tatsächlich fast zwei Milliarden Jahre unterwegs war, hätte es diese Strecke nach den üblichen Modellen kaum überstehen sollen.
Die Autoren einer neuen Studie in den Physical Review Letters sprechen deshalb von einer starken Spannung zu den Erwartungen der Standardphysik.
Was hat Einstein damit zu tun?
Eine mögliche Erklärung führt zu einem Grundprinzip der modernen Physik: der sogenannten Lorentz-Invarianz. Der Begriff klingt komplizierter, als die Grundidee ist. Einsteins spezielle Relativitätstheorie geht davon aus, dass die grundlegenden Naturgesetze für Beobachter gleich funktionieren, solange sie sich gleichförmig gegeneinander bewegen. Diese Annahme hat zahllose Tests bestanden.
Doch einige Theorien, die Relativitätstheorie und Quantenphysik miteinander verbinden wollen, lassen eine winzige Abweichung zu – allerdings erst bei extrem hohen Energien. Und genau dort bewegt sich das 300-TeV-Photon.
Solche Abweichungen könnten verändern, wie leicht hochenergetische Photonen mit der Hintergrundstrahlung reagieren. Das Universum wäre dann für diese Photonen etwas durchsichtiger als bislang angenommen. Ein Photon könnte also weiter kommen, bevor es verschwindet.
Wer tiefer in das schwierige Verhältnis zwischen Relativitätstheorie und Quantenphysik einsteigen möchte: Auf ingenieur.de erklären wir im Beitrag Dem großen Widerspruch der Schwerkraft auf der Spur, warum Forschende seit Jahrzehnten nach einer Theorie der Quantengravitation suchen.
Neue Physik könnte das Rätsel erklären
Die neue Studie von Giorgio Galanti vom italienischen Institut INAF und Marco Roncadelli vom INFN spielt verschiedene Varianten einer solchen Abweichung durch. Das Ergebnis: Unter bestimmten Bedingungen könnte sich tatsächlich erklären lassen, warum ein 300-TeV-Photon eine so enorme Strecke zurücklegt.
Das klingt spektakulär, bedeutet aber noch lange nicht, dass Einsteins Theorie falsch ist. Die Forschenden zeigen lediglich: Falls das Photon wirklich von GRB 221009A stammt, gibt es theoretische Modelle jenseits der etablierten Physik, die seine Reise erklären könnten. Mehr lässt sich aus diesem einzelnen Ereignis derzeit nicht ableiten.
Andere Messungen sprechen bislang gegen größere Abweichungen
Ausgerechnet derselbe Gammablitz wurde bereits genutzt, um Einsteins Physik besonders genau zu überprüfen. Das chinesische Observatorium LHAASO untersuchte Tausende Photonen unterschiedlicher Energie. Einige Theorien sagen voraus, dass extrem energiereiches Licht eine winzig andere Geschwindigkeit besitzen könnte als energieärmeres Licht.
Nach einer Reise von Milliarden Jahren müssten selbst extrem kleine Unterschiede irgendwann messbar werden.
Doch LHAASO fand keinen entsprechenden Effekt. Mögliche Abweichungen von der bekannten Physik müssen deshalb sehr klein sein. Die neue Carpet-3-Interpretation widerspricht diesen Messungen dennoch nicht automatisch. Die erlaubten Abweichungen sind zwar stark eingegrenzt, aber bestimmte Varianten bleiben theoretisch möglich.
Dass Forschende Einstein auch mit ganz anderen Experimenten immer wieder testen, zeigt ein aktueller Versuch mit ultrakalten Atomen. Darüber berichten wir im Beitrag Ein Atom fällt und bleibt zugleich stehen: Physiker testen Einstein in der Quantenwelt.
Gibt es noch eine andere Erklärung?
Ja. Forschende diskutieren seit Jahren hypothetische Teilchen, die sich unterwegs mit Photonen ineinander umwandeln könnten. Dazu gehören sogenannte axionartige Teilchen. Die Idee: Ein Gammaphoton verwandelt sich für einen Teil seiner Reise in ein Teilchen, das kaum mit der Strahlung im Universum wechselwirkt. Später könnte daraus wieder ein Photon werden. Auf diese Weise ließe sich ein Teil der kosmischen „Sperre“ umgehen.
Für das 300-TeV-Ereignis reicht diese Erklärung nach den Berechnungen der neuen Studie allein allerdings nicht aus. Andere Forschungsgruppen bewerten solche Modelle teilweise günstiger. Eine eindeutige Lösung gibt es also bislang nicht.
Auch die verspätete Ankunft fällt auf
Carpet-3 registrierte den Teilchenschauer erst rund 76 Minuten nach Beginn des Gammablitzes. Auch das hat Spekulationen ausgelöst. Könnten hochenergetische Photonen minimal langsamer unterwegs sein?
Theoretisch ist das denkbar. Praktisch gibt es aber ein großes Problem: Niemand weiß genau, wann das 300-TeV-Photon am Gammablitz entstanden ist. Vielleicht wurde es schlicht später erzeugt. Aus seiner verspäteten Ankunft lässt sich deshalb kein Hinweis auf neue Physik ableiten.
Stimmt nun etwas mit Einsteins Physik nicht?
Dafür gibt es bislang keinen Beleg. Der ungewöhnliche Teilchenschauer stellt Forschende trotzdem vor ein echtes Rätsel. Sollte das Photon tatsächlich von GRB 221009A stammen, müsste erklärt werden, wie es fast zwei Milliarden Jahre durch das Universum reisen konnte, ohne vorher von der Hintergrundstrahlung absorbiert zu werden.
Modelle mit einer winzigen Verletzung der Lorentz-Invarianz liefern dafür eine mögliche Erklärung. Andere Ansätze kommen ebenfalls infrage. Der größte Unsicherheitsfaktor bleibt jedoch die Herkunft des Photons. Die Verbindung mit dem fernen Gammablitz ist plausibel, aber nicht zweifelsfrei bewiesen.
Quellen
- Physical Review Letters: Galanti/Roncadelli – „Lorentz-Violating Scenarios for the Highest-Energy Photons from GRB 221009A“
- Physical Review D: Carpet-3 – Analyse des photonähnlichen Luftschauers mit 300 TeV
- Physical Review Letters: LHAASO – Grenzen für mögliche Verletzungen der Lorentz-Invarianz bei GRB 221009A
- INAF: „Un fotone che sfida Einstein“ – Einordnung der neuen Studie und Erläuterungen der Autoren
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