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 diffus cosmologique et se transformer en d’autres particules, sauf s’il avait parcouru cette immense distance en violant les lois de la relativité.
Le 9 octobre 2022, le sursaut gamma GRB 221009A a été détecté par les instruments Swift et Fermi-GBM. L’événement, surnommé BOAT (pour Brightest Of All Time), compte parmi les sursauts gamma les plus lumineux jamais observés. Il s’est produit dans une galaxie située à un redshift de 0,151, soit une distance d’environ 2 milliards d’années-lumière, avant d’atteindre la Terre sous la forme d’un intense flux de rayonnement gamma.
Le détecteur Carpet, installé à l’observatoire de Baksan, dans le Caucase russe, a ensuite identifié un événement photonique de très haute énergie associé au sursaut. Celui-ci a été estimé à environ 300 TeV, avec une incertitude de +43/-38 TeV. Il s’agit de l’un des photons les plus énergétiques jamais associés à un sursaut gamma, mais cette valeur doit être comprise comme une estimation et non comme une mesure parfaitement certaine d’un photon individuel.
Le fait qu’un rayonnement d’une telle énergie ait pu parvenir jusqu’à la Terre après avoir parcouru une distance cosmologique met à l’épreuve les modèles standards de propagation des photons.
En effet, selon ces modèles, un photon gamma de très haute énergie devrait être fortement absorbé au cours de son trajet par interaction avec les photons du fond diffus cosmologique, le rayonnement résiduel du Big Bang qui imprègne l’Univers.
Une interaction avec un photon du fond diffus cosmologique peut produire une paire électron-positon, absorbant ainsi le photon gamma initial. La probabilité d’un tel processus dépend notamment de l’énergie du photon et de la distance parcourue. À très haute énergie, l’absorption devrait donc limiter la distance sur laquelle un photon peut se propager.
Pour reprendre une analogie, ce serait comme tirer une flèche à travers une forêt très dense s’étendant sur 2 milliards d’années-lumière et espérer qu’elle puisse atteindre sa cible sans rencontrer d’obstacle.
L’énigme d’un photon qui aurait dû disparaître
Et pourtant, le photon détecté par Carpet semble avoir survécu à son trajet cosmologique sans être absorbé, ce qui pose un problème aux modèles standards de propagation. Des chercheurs explorent un scénario théorique qui pourrait expliquer comment un photon de cette énergie aurait pu parvenir jusqu’à la Terre.
« Nous sommes partis d’une question très simple : comment ce photon a-t-il pu survivre à un voyage qui, selon les lois de la physique connues, aurait dû le détruire ? », explique l’auteur principal de l’étude, Giorgio Galanti, chef d’équipe à l’Institut national italien d’astrophysique (INAF), dans un communiqué. « Les nouvelles données de l’expérience Carpet nous ont montré que les explications proposées jusqu’à présent n’étaient plus suffisantes. Nous avons donc cherché un scénario théorique capable de décrire de manière cohérente nos observations, sans avoir recours à des corrections arbitraires des équations. »
Galanti et son équipe se sont concentrés sur des particules ultralégères de type axion, appelées particules pseudo-scalaires ressemblant aux axions (ALP), ainsi que sur une éventuelle violation d’un principe fondamental de la théorie de la relativité restreinte d’Einstein : l’« invariance de Lorentz ».
L’invariance de Lorentz signifie que les lois de la physique doivent conserver la même forme pour des observateurs inertiels se déplaçant à des vitesses constantes différentes les uns par rapport aux autres.
Certains modèles de gravité quantique envisagent une violation de l’invariance de Lorentz. L’étude examine également des scénarios combinant cette hypothèse avec des oscillations photon-ALP, dans lesquelles des photons pourraient se transformer en particules de type axion et inversement. Ces mécanismes pourraient modifier la manière dont les rayonnements se propagent à travers l’Univers.
Une transparence aux très hautes énergies ?
Dans certains scénarios de violation de l’invariance de Lorentz, les seuils d’interaction des photons pourraient être modifiés, réduisant ainsi leur absorption par le fond diffus cosmologique. Autrement dit, une modification de la propagation des photons qui rendrait l’Univers plus transparent aux très hautes énergies pourrait permettre à des photons de parcourir des distances qui seraient normalement incompatibles avec leur énergie.
Certaines caractéristiques du BOAT semblent d’ailleurs correspondre au scénario étudié. L’équipe examine notamment un retard de plus d’une heure entre les photons de très haute énergie détectés par Carpet et ceux détectés par LHAASO. Ce retard est compatible avec certains scénarios de violation de l’invariance de Lorentz, sans toutefois constituer une preuve de cette hypothèse. Les résultats de l’étude, publiée sur la plateforme arXiv, détaillent ces possibilités.
« L’aspect le plus intéressant de nos travaux est qu’ils réunissent, pour la première fois, deux idées développées jusqu’alors séparément », a déclaré Marco Roncadelli, coauteur de l’étude et chercheur à l’Institut national de physique nucléaire (INFN). « Si de futures observations confirmaient ce scénario, l’Univers pourrait alors servir de laboratoire naturel pour étudier la gravité quantique à des énergies bien supérieures à celles accessibles aux accélérateurs terrestres. »
Source : arXiv
