Un photon parti d'une explosion lointaine semble avoir traversé l'Univers alors que la physique habituelle prédit sa disparition en chemin.
L'histoire commence en octobre 2022 avec GRB 221009A, un sursaut gamma exceptionnellement lumineux. Ce type d'événement correspond à une libération brutale d'énergie dans l'espace. Celui-ci s'est produit à plus de 2 milliards d'années-lumière. Plusieurs observatoires ont alors enregistré des rayons gamma, c'est-à-dire des photons beaucoup plus énergétiques que la lumière visible.
Position de GRB 221009A vue depuis la Terre et ligne de visée traversant la Voie lactée.
Crédit : NASA’s Goddard Space Flight Center
Parmi eux, l'observatoire Carpet a détecté un événement particulièrement remarquable. Une première analyse estimait son énergie à environ 251 téraélectronvolts. L'analyse complète des données conduit désormais à environ 300 TeV. Il s'agirait du photon le plus énergétique associé à ce sursaut gamma dans cette observation.
Le problème vient de son immense voyage. L'espace n'est pas parfaitement vide : il contient notamment le rayonnement cosmologique, une lumière très ancienne présente dans tout l'Univers. Un photon aussi énergétique peut rencontrer l'un de ces photons et disparaître lors de l'interaction. Sur des milliards d'années-lumière, ses chances d'arriver intact deviennent donc extrêmement faibles, un euphémisme pour dire que c'est très certainement impossible.
Giorgio Galanti et Marco Roncadelli ont étudié plusieurs explications. Ils ont notamment examiné l'idée que les photons puissent temporairement se transformer en particules hypothétiques, appelées particules de type axion. Sous cette forme, une partie du rayonnement pourrait voyager plus facilement. Selon leurs calculs, ce mécanisme employé seul explique difficilement le photon observé par Carpet.
Les chercheurs ont alors testé une possibilité plus radicale : à des énergies extrêmes, une règle fondamentale de la relativité pourrait être légèrement différente. Cette règle, appelée invariance de Lorentz, implique notamment que les lois de la physique restent les mêmes pour des observateurs se déplaçant à vitesse constante. La modifier changerait la manière dont les photons très énergétiques interagissent pendant leur trajet.
Dans certains modèles étudiés, une telle modification rend le voyage du photon de 300 TeV compatible avec les observations. Les auteurs examinent aussi des scénarios combinant cette modification avec les particules de type axion. Ces calculs peuvent également prendre en compte d'autres photons très énergétiques détectés après le même sursaut gamma.
Attention aux raccourcis : cela ne signifie pas que la relativité d'Einstein vient d'être réfutée. L'étude teste des modèles capables d'expliquer une observation très inhabituelle, mais une seule détection ne suffit pas à établir une nouvelle loi physique. Il faut aussi confirmer précisément l'origine du photon et comparer cette explication à de futurs événements semblables.
Les prochains sursauts gamma très lumineux pourront fournir ce test. Si d'autres photons atteignent la Terre avec des énergies et des distances normalement incompatibles avec leur survie, les chercheurs disposeront de plusieurs cas indépendants. Ils pourront alors vérifier si le même modèle explique leurs énergies, leurs trajets et leurs temps d'arrivée.