Une nouvelle théorie explique le voyage d'un photon de haute énergie vers la Terre

Des scientifiques ont avancé une nouvelle théorie pour expliquer comment un photon de très haute énergie, issu du sursaut gamma le plus brillant jamais enregistré (BOAT), a pu parcourir plus de deux milliards d'années-lumière jusqu'à la Terre sans être absorbé en chemin.

Le sursaut gamma, officiellement désigné GRB 221009A, a été détecté pour la première fois le 9 octobre 2022. Parmi l'immense nombre de photons dirigés vers la Terre depuis cet événement se trouvait le photon de plus haute énergie jamais détecté provenant d'un sursaut gamma. Ce photon spécifique a été capturé par le détecteur "Carpet" de l'Observatoire Baksan en Russie.

Le problème était qu'en l'état actuel des lois de la physique, une particule dotée d'une énergie aussi immense n'aurait pas dû pouvoir atteindre la Terre depuis une source aussi lointaine. L'espace cosmique intermédiaire n'est pas vide mais rempli de "rayonnement fossile", tel que les photons du fond diffus cosmologique (CMB). Les photons de haute énergie interagiraient presque inévitablement avec ces photons du CMB et se transformeraient au cours d'un voyage de deux milliards d'années-lumière. Pourtant, ce photon est arrivé.

L'équipe de recherche suggère que le photon aurait pu se convertir en une particule hypothétique, extrêmement légère, appelée particule de type axion (ALP), durant son voyage interstellaire. Une fois entré dans la Voie lactée, il aurait pu se reconvertir en photon. Cependant, ce mécanisme seul n'expliquait pas entièrement l'énergie exceptionnelle du photon.

Les chercheurs ont combiné l'hypothèse des ALP avec une possible violation de "l'invariance de Lorentz", un principe fondamental de la théorie de la relativité restreinte d'Albert Einstein de 1905. Leur conjecture est qu'à des énergies extrêmement élevées, l'invariance de Lorentz – qui stipule que les lois de la physique sont les mêmes pour tous les observateurs quelle que soit leur vitesse – pourrait être rompue. Cette rupture hypothétique modifierait le comportement de propagation du photon dans l'espace, lui permettant d'emprunter une "voie express cosmique" à travers des régions de l'espace qui, autrement, provoqueraient sa transformation destructrice.

Ce cadre théorique explique également les données d'observation : le photon de haute énergie est arrivé sur Terre environ une heure après les photons de plus basse énergie du même sursaut gamma, un délai compatible avec les prédictions du modèle. Si de futures observations confirment ce modèle, l'univers pourrait servir de laboratoire naturel pour l'étude de la gravité quantique à des échelles d'énergie bien au-delà de la portée de tout accélérateur de particules terrestre.