Le photon qui défie Einstein : il n’aurait jamais dû atteindre la Terre
Un photon à la plus haute énergie jamais détecté, issu de la plus puissante explosion cosmique depuis le Big Bang, n’aurait pu atteindre la Terre qu’en défiant les lois physiques d’Einstein. Ce photon n’aurait en effet pas dû atteindre nos détecteurs en parcourant deux milliards d’années-lumière sans interagir avec au moins un photon du fond […] Cet article Le photon qui défie Einstein : il n’aurait jamais dû atteindre la Terre est apparu en premier sur Trust My Science..
Le 9 octobre 2022, les instruments Swift et Fermi-GBM ont détecté le sursaut gamma GRB 221009A, surnommé BOAT (Brightest Of All Time), l’un des plus puissants jamais observés depuis le Big Bang. Il provient d’une galaxie située à environ 2 milliards d’années-lumière de la Terre. Parmi les rayonnements émis, un photon d’une énergie estimée à 300 TeV (téraélectronvolts) a été identifié par le détecteur Carpet en Russie. Cette valeur, bien que mesurée avec une incertitude de +43/-38 TeV, en fait l’un des photons les plus énergétiques jamais associés à un sursaut gamma. Pour donner une idée de son énergie, un TeV équivaut à mille milliards d’électronvolts, soit bien plus que l’énergie des photons de la lumière visible.
Selon les modèles physiques standards, un photon aussi énergétique que celui détecté en 2022 ne devrait pas pouvoir parcourir une distance de 2 milliards d’années-lumière sans être absorbé. En effet, il devrait interagir avec les photons du fond diffus cosmologique, un rayonnement résiduel du Big Bang qui imprègne l’Univers. Cette interaction peut produire une paire d’électron-positron, annihilant ainsi le photon gamma initial. À très haute énergie, cette absorption est si probable que le photon ne devrait pas pouvoir atteindre la Terre. Les chercheurs comparent cette situation à tirer une flèche à travers une forêt dense sur une distance de 2 milliards d’années-lumière : la probabilité de toucher une cible est quasi nulle.
Pour expliquer comment ce photon a pu survivre à son voyage, une équipe de chercheurs dirigée par Giorgio Galanti (Institut national italien d’astrophysique, INAF) a exploré deux hypothèses théoriques. La première implique des particules pseudo-scalaires ressemblant aux axions (ALP), des particules ultralégères qui pourraient permettre aux photons de se transformer en ALP et inversement, réduisant ainsi leur absorption. La seconde hypothèse remet en cause un principe fondamental de la relativité restreinte d’Einstein : l’invariance de Lorentz, qui stipule que les lois de la physique doivent être les mêmes pour tous les observateurs en mouvement uniforme. Une violation de ce principe pourrait modifier la manière dont les photons interagissent avec leur environnement.
Si l’invariance de Lorentz était violée, les seuils d’interaction des photons pourraient être modifiés, rendant l’Univers plus transparent aux très hautes énergies. Cela permettrait à des photons de parcourir des distances normalement incompatibles avec leur énergie. Les chercheurs ont notamment observé un retard de plus d’une heure entre les photons de très haute énergie détectés par Carpet et ceux détectés par LHAASO, un observatoire chinois. Ce retard est compatible avec certains scénarios de violation de l’invariance de Lorentz, bien qu’il ne constitue pas une preuve définitive. Les résultats de l’étude ont été publiés sur la plateforme arXiv.
Si de futures observations confirmaient ce scénario, l’Univers pourrait servir de laboratoire naturel pour étudier la *gravité quantique* à des énergies bien supérieures à celles accessibles aux accélérateurs terrestres. **Marco Roncadelli** (Institut national de physique nucléaire, *INFN*), coauteur de l’étude, souligne que ce travail réunit pour la première fois deux idées développées séparément. Les chercheurs espèrent que ces observations ouvriront de nouvelles pistes pour comprendre les lois fondamentales de la physique, tout en restant prudents sur l’interprétation des données actuelles.
