¿Cómo sobrevivió un fotón de 300 TeV a 2.000 millones de años luz?

Un fotón extraordinariamente energético recorrió más de 2.000 millones de años luz desde el estallido de rayos gamma GRB 221009A y alcanzó la Tierra con una energía estimada de 300 teraelectronvoltios (TeV). El problema es bastante serio para la física: con semejante energía y de acuerdo con los modelos convencionales, aquella partícula de luz debería haber sido absorbida durante el trayecto. No tendría que haber llegado.

Y, sin embargo, apareció en los datos del detector Carpet, instalado en el observatorio de Baksán, en el Cáucaso ruso. El caso ha llevado a los físicos Giorgio Galanti y Marco Roncadelli a estudiar una posibilidad mucho más profunda: que a energías extremas la propagación de la luz pueda experimentar efectos asociados a la gravedad cuántica, modificando ligeramente uno de los principios sobre los que se levanta la relatividad especial.

No significa que Einstein haya sido refutado ni que se haya descubierto una nueva ley de la naturaleza. Todavía no. Lo que existe es una observación excepcionalmente difícil de encajar y un modelo capaz de explicarla sin recurrir simplemente a la casualidad.

Un fotón de 300 TeV que no debería haber llegado

Todo comenzó con GRB 221009A, el estallido de rayos gamma detectado el 9 de octubre de 2022 y bautizado como BOAT, acrónimo de Brightest Of All Time. Fue un fenómeno tan luminoso que rápidamente se convirtió en uno de los acontecimientos astrofísicos más estudiados de los últimos años.

Entre la radiación registrada apareció un evento especialmente extraño. Los primeros análisis de Carpet situaron su energía alrededor de los 251 TeV. El estudio completo de los datos ha reforzado posteriormente aquella detección y ha elevado la estimación hasta unos 300 TeV, con un margen de incertidumbre de varias decenas de TeV.

Para hacerse una idea, un teraelectronvoltio equivale a un billón de electronvoltios. Un fotón de 300 TeV no es una inocente partícula de luz como las que entran por una ventana una mañana cualquiera. Es un proyectil electromagnético de una energía descomunal.

Precisamente por eso aparece el problema.

El espacio entre galaxias parece vacío cuando se mira a simple vista, pero no lo está. Está atravesado por campos de radiación y, entre ellos, por la radiación cósmica de fondo, el tenue eco térmico del universo primitivo. Un fotón tan energético debería encontrarse durante su viaje con esos fotones de baja energía.

La física conocida predice entonces una reacción muy concreta: ambos pueden interactuar y producir un electrón y un positrón. El fotón inicial desaparece. A escalas cosmológicas, cuanto mayor es su energía, más difícil resulta que sobreviva indemne.

Recorrer más de 2.000 millones de años luz en esas condiciones es como atravesar una tormenta de granizo durante miles de kilómetros y llegar con el parabrisas intacto. No es imposible en el sentido cotidiano de la palabra; es mucho peor para un físico: resulta extremadamente improbable dentro del modelo esperado.

Por qué el universo debía ser opaco para esa luz

La cuestión no consiste en que el fotón pudiera simplemente esquivar estrellas, galaxias o nubes de gas. El obstáculo estaba repartido por todo el espacio.

Los fotones de altísima energía interactúan con la radiación ambiental mediante procesos previstos desde hace décadas. A determinadas energías, el cosmos deja de comportarse como una ventana transparente y se parece más a una niebla para los rayos gamma.

GRB 221009A se encontraba lo bastante lejos como para que este efecto fuese decisivo. La distancia convierte una interacción improbable en un problema acumulativo: millones y millones de oportunidades para que el fotón encuentre radiación de fondo y desaparezca antes de alcanzar nuestro rincón del universo.

Otros observatorios, como LHAASO, también registraron fotones extremadamente energéticos procedentes del estallido, aunque en rangos bastante inferiores. Aquellas observaciones ya habían planteado dudas sobre cómo podían viajar rayos gamma tan energéticos durante distancias enormes.

El evento de Carpet eleva el problema varios pisos. Estamos hablando de unos 300 TeV. Aquí la explicación estándar empieza a crujir.

Las partículas parecidas a los axiones no bastan por sí solas

Una de las hipótesis utilizadas durante años para explicar la sorprendente transparencia del universo implica las llamadas partículas similares a axiones, conocidas por sus siglas inglesas ALP.

Son partículas hipotéticas, extremadamente ligeras, que todavía no han sido detectadas directamente. Algunos modelos permiten que un fotón se transforme temporalmente en una ALP al atravesar determinados campos magnéticos. Esa partícula podría recorrer regiones del universo evitando parte de las interacciones que afectan a los fotones y transformarse de nuevo en luz más adelante.

Una especie de cambio de disfraz cósmico.

La propuesta resulta atractiva para explicar determinadas observaciones de rayos gamma de decenas de TeV, pero el nuevo análisis encuentra problemas cuando intenta aplicarla, por sí sola, al evento de 300 TeV.

Ahí entra una posibilidad bastante más radical.

Qué tiene que ver la relatividad de Einstein

Galanti y Roncadelli estudian escenarios en los que podría producirse una pequeña violación de la invariancia de Lorentz a energías extremas.

El nombre intimida más que la idea básica. La invariancia de Lorentz es uno de los pilares de la relatividad especial: las leyes fundamentales de la física deben conservar la misma forma para observadores que se mueven unos respecto a otros a velocidad constante.

Hasta donde han llegado los experimentos, el principio funciona extraordinariamente bien.

Algunas teorías que intentan reconciliar la relatividad con la mecánica cuántica contemplan, sin embargo, la posibilidad de diminutas modificaciones cuando las energías se vuelven enormes. No sería que la relatividad dejara de funcionar alegremente por el universo; serían desviaciones minúsculas, difíciles de detectar y reservadas a condiciones que ningún acelerador terrestre puede reproducir con facilidad.

Una modificación de ese tipo podría alterar la manera en que los fotones de energía extrema interactúan con la radiación cósmica. El resultado sería llamativo: el universo podría volverse más transparente para ciertos rayos gamma de lo que predicen los modelos convencionales.

Y el fotón de GRB 221009A tendría entonces una ruta posible hasta nosotros.

El retraso de una hora añade otra pieza al rompecabezas

Hay un detalle todavía más interesante. El fotón de aproximadamente 300 TeV no llegó exactamente junto con la radiación de menor energía.

Fue registrado alrededor de una hora después de los fotones mucho menos energéticos asociados al estallido.

Ese retraso podría tener explicaciones relacionadas con la propia fuente: una explosión cósmica no necesariamente emite toda su radiación de la misma manera ni exactamente al mismo tiempo. Conviene no saltar demasiado deprisa de un dato extraño a una revolución científica.

Pero algunos modelos de violación de la invariancia de Lorentz también predicen que fotones con energías distintas podrían propagarse de manera ligeramente diferente por el espacio-tiempo. Después de recorrer miles de millones de años luz, una diferencia diminuta podría acumularse hasta convertirse en un retraso detectable.

El modelo estudiado consigue así abordar dos rarezas a la vez: cómo pudo sobrevivir el fotón y por qué pudo llegar después que otros rayos gamma menos energéticos.

Ese doble encaje es precisamente lo que hace interesante el trabajo.

Una posible ventana hacia la gravedad cuántica

La física lleva décadas intentando construir una descripción satisfactoria de la gravedad cuántica, es decir, una teoría capaz de reconciliar la relatividad general, extraordinariamente eficaz para describir estrellas, galaxias y el universo a gran escala, con la mecánica cuántica que gobierna el mundo microscópico.

El problema es que los efectos de gravedad cuántica deberían aparecer con claridad a energías tan gigantescas que resultan prácticamente inaccesibles en los laboratorios humanos.

El universo, en cambio, dispone de recursos bastante menos modestos.

Estallidos de rayos gamma, agujeros negros, estrellas de neutrones y rayos cósmicos proporcionan condiciones extremas que pueden utilizarse como laboratorios naturales. Un solo fotón llegado desde una explosión remota puede contener información sobre su viaje durante miles de millones de años y poner límites a teorías que sería imposible comprobar de otra manera.

Eso no convierte automáticamente el evento de Carpet en la primera observación de gravedad cuántica. Sería un salto excesivo. El estudio demuestra que determinados escenarios de nueva física son compatibles con la observación, no que hayan quedado demostrados.

Y esa diferencia, aunque tenga menos brillo que un titular espectacular, importa mucho.

Un fotón extraordinario, pero Einstein sigue en pie

La detección asociada a GRB 221009A plantea una anomalía genuina: un posible fotón de unos 300 TeV vinculado a una fuente situada a más de 2.000 millones de años luz llegó hasta la Tierra cuando la propagación convencional hace muy difícil explicar semejante supervivencia.

La hipótesis desarrollada por los investigadores combina modificaciones vinculadas a la invariancia de Lorentz con mecanismos relacionados con partículas similares a axiones y ofrece una interpretación coherente de varias observaciones de alta energía. Es una pista. Potente, sí; una demostración, no.

Harán falta nuevos estallidos gamma, más fotones de energías extremas y observaciones independientes capaces de repetir el patrón. La física funciona así, con cierta crueldad para los grandes titulares: un acontecimiento extraordinario abre una puerta, pero no decide por sí solo qué hay detrás.

Mientras tanto, aquel fotón conserva su rareza. Salió de una explosión ocurrida cuando en la Tierra nuestros antepasados ni siquiera pertenecían al género Homo, atravesó un cosmos que debería haberlo absorbido y terminó dejando una señal diminuta en un detector del Cáucaso.

Dos mil millones de años de viaje para acabar convirtiéndose en una pregunta incómoda sobre las leyes del universo.