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Using a gamma ray burst to search for violations of Einstein's relativity postulates

by David Appell , Phys.org

A

Utiliser un sursaut gamma pour rechercher des violations des postulats de relativité d'Einstein

par David Appell , Phys.org

Crédit : Unsplash/CC0 Domaine public

La théorie de la relativité d'Einstein repose sur deux hypothèses, ou postulats. La première est que les lois de la physique semblent identiques pour tous ceux qui se déplacent en ligne droite sans accélération.

Einstein a repris cette idée du physicien néerlandais Hendrik Lorentz, qui, à la fin des années 1800, a présenté une théorie de l'électrodynamique avec cette propriété, donnant naissance à la notion de « référentiel inertiel » - les coordonnées utilisées par un boucher, un boulanger ou un fabricant de chandeliers lorsqu'ils se déplacent en ligne droite dans le vide, les uns par rapport aux autres, éventuellement avec des vitesses différentes. Cette équivalence supposée est appelée « invariance de Lorentz ».

La deuxième hypothèse est que la vitesse de la lumière sera mesurée de la même manière par n'importe qui dans un référentiel inertiel. Peu importe la vitesse à laquelle on se déplace ou la direction dans laquelle on se dirige (dans le vide), on verra la lumière s'approcher à une vitesse de « c », soit un peu moins de 300 000 kilomètres par seconde, et la même vitesse sera observée si elle passe à côté. Même si le boulanger se déplace à 0,99999 pour cent de la vitesse de la lumière par rapport au boucher, tous deux mesurent la lumière à une vitesse de « c ». (Oui, ce n'est pas du tout intuitif.)

Depuis lors, les physiciens ont tenu à tester l'invariance de Lorentz. Elle est strictement valable dans toutes les expériences réalisées jusqu'à présent. Aujourd'hui, un groupe de Chinois a examiné le sursaut gamma le plus puissant jamais observé et a découvert que les photons qu'il émettait au même moment arrivaient à leur télescope au même moment, même s'ils avaient des fréquences différentes.

À partir de ce résultat, la limite inférieure d'énergie où la gravité quantique apparaît a été multipliée par cinq. Leurs travaux ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.

L'intérêt pour l'invariance de Lorentz a augmenté ces dernières années, car certaines théories de la gravité quantique prédisent que pour les photons de haute énergie, le vide n'apparaît pas vide mais comme un milieu non vide. Cette prédiction, lorsqu'elle se produit dans une théorie de la gravité quantique, se produit près de l'échelle de Planck d'environ 1019 milliards d'électrons-volts, où l'on s'attend à ce que l'espace-temps lui-même doive être traité selon les règles de la mécanique quantique.

L'invariance de Lorentz est-elle valable même à des énergies aussi énormes, ou les lois de la physique commencent-elles à paraître différentes pour différents référentiels inertiels ?

Pour tester cela, un groupe de recherche du Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) en Chine a observé la rémanence du sursaut gamma le plus brillant jamais observé, 221009A. Ce sursaut gamma, découvert en 2022 et d'une durée d'un peu plus de 10 secondes, mais observable pendant 10 heures après sa détection, se trouvait dans une galaxie lointaine à 2,4 milliards d'années-lumière, ce qui signifie que ses rayons gamma hautement énergétiques ont mis 2,4 milliards d'années pour arriver sur Terre.

Une violation de l'invariance de Lorentz apparaîtrait si la lumière de différentes fréquences arrivait sur Terre à des moments différents, ce qui signifie qu'elles avaient des vitesses différentes lorsqu'elles traversaient le long vide de là à ici. Ce phénomène est appelé « dispersion des photons », et il est observé lorsque la lumière traverse des matériaux comme l'eau ou le verre, mais jusqu'à présent, il n'a jamais été détecté dans le vide.

L'équipe de recherche a utilisé des données recueillies lors du sursaut gamma du 9 octobre 2022 enregistré à l'observatoire du Sichuan, en Chine, à 4 410 mètres d'altitude. Les observatoires de rayons gamma en orbite ont d'abord été déclenchés par les photons initiaux de faible énergie, et LHAASO s'est avéré être pointé dans la bonne direction pour mesurer la « rémanence » des photons de haute énergie du sursaut.

Dans les 100 minutes qui ont suivi le déclenchement de 221009A, leur réseau de détecteurs Cherenkov à eau a mesuré plus de 64 000 photons avec des énergies allant jusqu'à 7 000 milliards d'électrons-volts. Au cours de sa courte durée de vie, on estime que le sursaut gamma a libéré autant d'énergie que toute la galaxie de la Voie lactée en 500 millions d'années.

L'intensité maximale du sursaut gamma s'est produite environ quatre minutes après son déclenchement. Pour examiner les signes d'une violation de l'invariance de Lorentz, le groupe a utilisé deux méthodes : mesurer les délais entre 10 bandes d'énergie des rayons gamma, chaque bande contenant des photons de l'ordre du TeV, et extraire des données les délais d'arrivée dépendants de l'énergie.

Leur analyse n'a révélé aucune violation statistiquement significative de l'invariance de Lorentz, aucun délai significatif des photons GRB avec des fréquences différentes. (D'après la relation de Planck, la fréquence est proportionnelle à l'énergie.)

À partir de cette absence de dispersion des photons, ils ont obtenu deux limites inférieures de l'énergie où les effets de la gravité quantique pourraient apparaître, l'une identique à celle observée dans les observations précédentes de GRB, et la seconde augmentant la limite inférieure précédente d'un facteur cinq pour les référentiels inertiels voyageant en dessous de la vitesse de la lumière.

Ils concluent : « Les futures observations d'émissions rapides à très haute énergie au lieu de rémanences de GRB amélioreraient encore la sensibilité à l'invariance de Lorentz en utilisant des tests de temps de vol. » Ces limites pourraient être encore plus élevées si l'étape initiale d'un futur GRB était examinée de la même manière.

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COMMENTAIRES

1 Une explosion de rayons gamma pourrait-elle détruire la Terre ?

Une explosion de rayons gamma à proximité pourrait stériliser la Terre. Ces explosions d'énergie sont si puissantes qu'elles peuvent brièvement éclipser le reste de l'Univers. Heureusement, la probabilité qu'une telle explosion se produise à proximité est faible. Un rayonnement d'énergie : le rayonnement des sursauts gamma est fortement émis dans deux directions opposées.

2/Serons-nous  dansq l avenir frappés par un sursaut gamma ?

La réponse est non, même si des sursauts gamma sont détectés presque tous les jours, dispersés de manière aléatoire dans l'Univers, cela est hautement improbable. Il n'y a pas d'étoiles à moins de 200 années-lumière de notre système solaire qui soient destinées à exploser sous forme de sursaut gamma, nous ne nous attendons donc pas à assister à un tel événement de près !

3/Vouloir verifier les postulats d  Einsstein  a partir des sues sursauts gamma relève d une gageure !!!

Et pour les élèves quel sont le s 3 postulat d'Einstein ?

(1) Les lois de la physique ont la même forme dans tous les référentiels inertiels. (2) La lumière se propage dans l'espace vide avec une vitesse définie c indépendante de la vitesse de l'observateur (ou de la source). (3) Dans la limite des faibles vitesses, le formalisme de la gravité devrait concorder avec la gravité newtonienne.

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More information: Zhen Cao et al, Stringent Tests of Lorentz Invariance Violation from LHAASO Observations of GRB 221009A, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.071501. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2402.06009

Journal information: Physical Review Letters  , arXiv 

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