En 2022, des astronomes ont détecté une rafale de rayons gamma incroyablement lumineuse et à longue durée, GRB 221009A — surnommée « BOAT », pour « Brightest of All Time » (oui, vraiment). Ce déluge de photons était si ancien et puissant que, théoriquement, il ne devrait pas avoir atteint la Terre. Et pourtant, il est bel et bien arrivé. Mais comment ?
Dans un article publié hier dans Physical Review Letters, deux physiciens proposent une solution déroutante à un problème tout aussi déroutant : des particules hypothétiques issues de l’aube cosmique. Plus précisément, les chercheurs suggèrent que les photons pourraient se transformer temporairement en particules de type axion, extrêmement légères, associées à un ajustement distinct pour rendre compte du comportement des photons à des énergies extrêmes.
C’est cette deuxième pièce qui viole techniquement quelque chose appelé l’invariance de Lorentz, un principe clé de la relativité restreinte d’Einstein. Mais voici le truc : en utilisant ce modèle, le duo prédisait un effet secondaire qui découlerait du trajet du photon. Or, il se trouve qu’une observation totalement indépendante l’avait justement observé. En d’autres termes, il existe une validation expérimentale pour cette théorie.
« Nous sommes partis d’une question très simple : comment ce photon a-t-il survécu à un voyage qui, selon la physique connue, aurait dû le détruire ? » a déclaré Giorgio Galanti, co-auteur de l’étude et astrophysicien à l’Institut national d’astrophysique (INAF) en Italie. « Nous avons donc cherché un scénario théorique capable de décrire de manière cohérente ce que nous observons, sans avoir recours à des corrections arbitraires des équations. »
« B.O.A.T. »
Parce que GRB 221009A était d’une puissance exceptionnelle, il a « temporairement aveuglé la plupart des instruments gamma ray basés dans l’espace », selon un explication de la NASA — d’où le surnom, « BOAT ». Mais le signal était aussi exceptionnellement long, d’environ 10 minutes. L’éclair est resté détectable pendant les 10 heures suivantes, et rapidement les astronomes ont pu verrouiller quelques statistiques clés sur le BOAT.
Originaire d’environ deux milliards d’années-lumière de la Terre, il a déployé des énergies autour de 300 téra-électron-volts (TeV). Pour situer, 1 électronvolt représente l’énergie cinétique d’un électron dans un vide d’un volt ; 1 téraélectronvolt équivaut à 1 000 000 000 000 d’électronsvolts. À l’époque, les experts de la NASA supposaient que l’explosion provenait de la naissance d’un nouveau trou noir, et les enquêtes qui ont suivi sur le signal estiment que de tels événements lumineux se produiraient une fois tous les 10 000 ans.
Un signal défaillant ?
Puis les astronomes ont dû affronter l’évidence évidente : la logistique du trajet du GRB 221009A jusqu’à la Terre. Dans l’article, Galanti et son co-auteur Marco Roncadelli, de l’Institut national italien de physique nucléaire, expliquent que GRB 221009A était « en tension » avec la physique conventionnelle. Selon le manuel de la physique, les photons à des niveaux d’énergie similaires auraient dû entrer en collision avec le fond diffus cosmologique — traces de radiation des tout premiers jours de l’univers — et auraient été annihilés dans le processus.
Dans le communiqué, l’équipe a comparé cela à « tirer une flèche à travers une forêt extrêmement dense qui s’étend sur deux milliards d’années-lumière et s’attendre à ne heurter aucun arbre ». Ainsi, si le signal est parvenu jusqu’à nous — et nous savons qu’il l’a fait — les photons auraient dû trouver un moyen soit d’esquiver tous ces arbres, soit de les ignorer complètement.
Les deux auteurs estiment que la réponse est la seconde option. Certains modèles de gravité quantique prévoient une légère flexibilité dans l’une des règles fondamentales de la relativité restreinte d’Einstein pour la matière à très hautes énergies. Ils ont associé ce mécanisme à des particules de type axion. Résultat : ce que les chercheurs appellent « l’autoroute rapide » de l’univers, par laquelle des particules extrêmement légères et très énergétiques traversent les obstacles comme s’ils n’existaient pas.
Astuce secrète
Il est compréhensible que cela puisse donner l’impression d’une solution ad hoc au problème ; après tout, nous ne disposons pas de preuves irréfutables de l’existence des particules de type axion. L’équipe le reconnaît dans l’article, expliquant que sa proposition n’est qu’une parmi de nombreuses idées pour sonder ce signal encore inexpliqué. Cela dit, les derniers calculs prévoyaient un intervalle d’une heure entre un afflux de photons de basse énergie et l’arrivée du photon à 300 TeV sur Terre. Et, de manière remarquable, c’est exactement ce que surveillait à l’époque un observatoire chinois.
« L’aspect le plus intéressant de notre travail est qu’il réunit pour la première fois deux idées qui, jusqu’à présent, avaient été développées séparément », a déclaré Roncadelli dans le communiqué. « Si de futures observations confirmaient ce scénario, l’univers deviendrait un laboratoire naturel pour étudier la gravité quantique à des énergies extrêmement supérieures à celles atteignables par n’importe quel accélérateur terrestre. »
