Un photon qui défie Einstein : selon la physique actuelle, il n'aurait jamais dû atteindre la Terre
par l'Institut national d'astrophysique (INAF)
Édité par Sadie Harley, révisé par Robert Egan
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Vue d'artiste d'un faisceau de photons à ultra-haute énergie émis par le sursaut gamma GRB 221009A traversant l'espace-temps quantique. Crédits : INAF / Giorgio Galanti / Généré par IA
Comment un photon a-t-il pu survivre à un voyage de plus de 2 milliards d'années-lumière alors que, selon la physique connue, il aurait dû être absorbé bien avant d'atteindre la Terre ? C'est la question au cœur d'une nouvelle étude menée par Giorgio Galanti (INAF) et Marco Roncadelli (INFN), acceptée pour publication dans la revue *Physical Review Letters*.
Ces recherches s'attaquent à l'une des énigmes les plus fascinantes de l'astrophysique contemporaine. Elles proposent une explication possible concernant le photon de plus haute énergie jamais observé en provenance d'un sursaut gamma, suggérant que, dans des conditions extrêmes, l'espace-temps pourrait se comporter différemment de ce que prédit la théorie de la relativité d'Einstein.
Au centre de cette histoire se trouve le sursaut gamma le plus brillant jamais observé, GRB 221009A, surnommé « BOAT » par les astronomes — pour *Brightest Of All Time* (le plus brillant de tous les temps). L'explosion, survenue à environ 2 milliards d'années-lumière de la Terre et observée le 9 octobre 2022, a atteint notre planète sous la forme d'une immense pluie de photons, les particules élémentaires de la lumière.
Parmi eux figurait un photon véritablement exceptionnel. Détecté par Carpet — un instrument de détection de rayons cosmiques à ultra-haute énergie situé à l'observatoire de Baksan, dans le Caucase russe —, ce photon présentait une énergie d'environ 300 téraélectronvolts (TeV), soit la valeur la plus élevée jamais enregistrée pour un photon issu d'un sursaut gamma. Cette énergie record remet en question les modèles actuels. Selon la physique connue, un tel photon n'aurait pas dû pouvoir atteindre la Terre.
Un record qui ne devrait pas exister
La raison en est que l'univers n'est pas totalement vide. Au cours de son périple, le photon aurait dû interagir avec les photons du fond diffus cosmologique — ce faible rayonnement résiduel du Big Bang qui imprègne tout l'univers — pour se transformer en d'autres particules et disparaître bien avant d'atteindre la Terre. C'est un peu comme tirer une flèche à travers une forêt extrêmement dense s'étendant sur deux milliards d'années-lumière et s'attendre à ce qu'elle ne heurte aucun arbre. Selon la physique actuelle, cela est pratiquement impossible. Et pourtant, le photon est parvenu jusqu'à nous.
Ces dernières années, une solution envisagée a fait intervenir des particules de type axion (ALP), des particules hypothétiques extrêmement légères. Dans ce scénario, les photons pourraient se transformer temporairement en ALP lors de leur traversée de l'univers, puis redevenir des photons à proximité de la Voie lactée. Ce mécanisme permet d'expliquer l'observation de photons atteignant des énergies de quelques dizaines de téraélectronvolts, mais il ne suffit pas à rendre compte du photon de 300 TeV.
« Nous sommes partis d'une question très simple : comment ce photon a-t-il pu survivre à un voyage qui, selon la physique connue, aurait dû le détruire ? » explique Galanti, chercheur à l'INAF et premier auteur de l'étude.
« Les nouvelles données de l'expérience Carpet nous ont montré que les explications proposées jusqu'alors n'étaient plus suffisantes. Nous avons donc cherché un scénario théorique capable de décrire de manière cohérente nos observations, sans recourir à des corrections arbitraires des équations. »
Là où la relativité pourrait fléchir
C'est ici qu'intervient la nouvelle étude. Pour la première fois, les chercheurs ont combiné le mécanisme des ALP avec une possible violation de l'invariance de Lorentz, l'une des propriétés fondamentales de la théorie de la relativité restreinte d'Einstein. Selon certains modèles de gravité quantique, cette propriété pourrait être légèrement modifiée aux énergies les plus élevées, changeant ainsi la façon dont les photons se propagent dans l'espace.
Dans ce scénario, le photon parvient à éviter les interactions qui, selon la physique standard, l'auraient détruit durant son trajet. À ces énergies exceptionnelles, l'univers devient donc beaucoup plus « transparent », permettant à la particule d'atteindre la Terre.
Concrètement, selon ce nouveau modèle, le photon emprunte une sorte de « voie rapide » à travers l'univers. Cela ne signifie pas que les lois de la physique changent de manière générale, mais plutôt qu'à des énergies aussi élevées, des effets inédits pourraient entrer en jeu.
Un second indice lié au timing
Mais un autre élément rend ce résultat particulièrement intéressant. Le modèle explique non seulement comment le photon a réussi à atteindre la Terre, mais il prédit également un second effet observable. Selon les calculs, le photon de 300 TeV devrait arriver avec environ une heure de retard par rapport aux photons de plus basse énergie détectés par l'observatoire chinois LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory). C'est précisément ce qui a été observé.
« L'aspect le plus intéressant de nos travaux est qu'ils réunissent, pour la première fois, deux idées qui avaient été développées séparément jusqu'à présent », ajoute Roncadelli, chercheur à l'INFN et
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RESUME
Un photon qui défie Einstein : selon la physique actuelle, il n'aurait jamais dû atteindre la Terre.
Un photon de 300 TeV issu du sursaut gamma GRB 221009A a parcouru environ 2 milliards d'années-lumière, malgré l'absorption attendue par les photons du fond cosmique. Un modèle combinant la conversion photon-particule de type axion et une violation de l'invariance de Lorentz pourrait expliquer cette transparence accrue de l'espace et prédit un retard d'environ une heure par rapport aux photons de plus basse énergie, ce qui concorde avec les observations.
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Commentaires
Je ne suivrai pas Giorgi Galanti et allia dans leur proposition a la fois pour des raisons théoriques et pour des raisons pratiques :l enregistrement et le suivi de
la cinetique d un sursaut gamma sont des manip diffiles ......Je n en dirai pas davantage !





















