Le 9 octobre 2022, une vague de rayons gamma a balayé le système solaire et saturé plusieurs instruments spatiaux. Quelques semaines plus tard, des chercheurs ont réalisé qu’un seul grain de lumière, un photon, semblait avoir fait ce qu’aucune règle connue ne l’autorisait à faire. Voici ce que l’on sait, ce que l’on suppose, et ce qu’il faut garder pour l’instant au conditionnel.
Le photon qui n’aurait jamais dû arriver jusqu’à nous
La réponse tient en une phrase. Le sursaut gamma GRB 221009A, surnommé BOAT (Brightest Of All Time), a envoyé vers la Terre un photon ultra-énergétique d’environ 251 TeV, annoncé par l’observatoire russe Carpet-2. À cette énergie, et à cette distance (environ 2,4 milliards d’années-lumière), la physique actuelle prédit qu’il aurait dû disparaître en route.
La raison s’appelle l’annihilation photon-photon. L’Univers est rempli d’une faible lumière diffuse, le rayonnement de fond extragalactique, héritée de toutes les étoiles et galaxies qui ont brillé depuis des milliards d’années. Quand un photon de très haute énergie croise l’un de ces photons de basse énergie, les deux peuvent se transformer en une paire électron-positon. Le photon de départ n’existe alors plus.
251 TeV : l’ordre de grandeur qui pose problème
Un téra-électronvolt vaut mille milliards d’électronvolts. Un photon de lumière visible en porte à peine quelques-uns. Le grand collisionneur LHC fait entrer des protons en collision à environ 13 TeV. Un photon à 251 TeV est donc environ vingt fois plus énergétique que ces collisions, et il aurait traversé presque tout le cosmos visible pour rejoindre un détecteur au sol.
Le sursaut gamma BOAT : l’explosion la plus brillante de l’Univers
GRB 221009A est le sursaut gamma le plus lumineux jamais enregistré. Les astronomes estiment qu’un événement de cette intensité ne se produit qu’une fois tous les dix mille ans environ, vu depuis la Terre. Il a perturbé la haute atmosphère et saturé des détecteurs conçus pour encaisser des flux déjà très élevés.
À l’origine, on trouve très probablement l’effondrement d’une étoile massive en fin de vie, qui forme un trou noir, comme ces galaxies déchirées renaissant en étoiles observées par le télescope Chandra. Ce cataclysme cosmique lance deux jets de matière à une vitesse proche de celle de la lumière. Ici, l’un de ces jets pointait presque exactement vers nous, ce qui explique une partie de l’éclat record.
Plusieurs observatoires ont suivi l’événement. Le télescope Fermi et le satellite Swift ont capté les rayons gamma et X. Au sol, l’observatoire chinois LHAASO a enregistré des milliers de photons au-delà de 500 GeV, certains atteignant 13 TeV. C’est le détecteur russe Carpet-2 qui a signalé le candidat à 251 TeV, bien plus extrême encore.
Pourquoi ce photon ultra-énergétique est théoriquement impossible
La notion clé est la transparence cosmique. Pour un photon, l’Univers n’est pas aussi vide qu’il en a l’air. Plus son énergie monte, plus il risque de percuter un photon du fond diffus et de s’annihiler. Au-delà de quelques dizaines de TeV, un photon venu de 2,4 milliards d’années-lumière devrait avoir une chance infime de survivre.
Les chercheurs ont calculé cette probabilité avec les modèles standards du rayonnement de fond extragalactique. Le résultat dépend de la quantité de lumière diffuse présente sur le trajet, mais il reste très défavorable. D’où l’expression « théoriquement impossible » : le photon n’enfreint pas une loi, il contredit une prédiction précise.
Un autre détail intrigue. Le signal est arrivé longtemps après le début de l’éclat gamma. Selon le point de référence choisi, on parle d’un retard de 38 minutes, voire de plus d’une heure après le déclenchement des satellites. Ce décalage complique encore l’interprétation, puisqu’un photon émis pendant la phase principale du sursaut aurait dû arriver bien plus tôt.
Les hypothèses scientifiques : violation de la relativité ?
Face à cette anomalie, trois pistes principales circulent. Aucune n’est confirmée.
- Une violation de l’invariance de Lorentz : à très haute énergie, la relativité restreinte d’Einstein ne s’appliquerait plus tout à fait. Les photons pourraient alors ne plus s’annihiler comme prévu.
- Une particule hypothétique de type axion : le photon se transformerait en cette particule, qui traverse l’espace sans être gênée, puis se reconvertirait en photon près de la Voie lactée. Cette idée a lancé des spéculations sur la matière noire.
- Une erreur d’interprétation : l’énergie réelle serait plus basse, ou l’événement viendrait d’une autre source.
La première hypothèse fait le plus parler, parce qu’elle touche à un pilier de la physique. Selon la relativité d’Einstein, les lois de la nature sont les mêmes pour tous les observateurs, quelle que soit leur vitesse. Certaines théories de gravité quantique prévoient pourtant de petites entorses à cette règle, visibles seulement à des énergies extrêmes.
Ce que disent les mesures sur la relativité d’Einstein
Le sursaut offre justement un banc d’essai rare. Si la vitesse de la lumière variait légèrement avec l’énergie, des photons émis ensemble arriveraient à des moments différents. L’équipe de LHAASO a utilisé les milliers de photons du BOAT pour chercher cet effet.
Le résultat est net : aucun signe de violation. Les contraintes obtenues placent l’échelle d’une éventuelle nouvelle physique à plus de dix fois l’énergie de Planck pour les effets les plus simples, soit bien au-delà des meilleures limites précédentes. En clair, Einstein sort renforcé de cette série de tests, ce qui n’exclut pas que le photon à 251 TeV ait une autre explication.
Les implications pour la physique fondamentale
Si le photon de Carpet-2 est confirmé, il faudra expliquer comment il a traversé le fond diffus. Soit nos modèles de lumière cosmique sont incomplets, soit une particule inconnue entre en jeu. Dans les deux cas, ce serait un indice pour la physique fondamentale, et peut-être un lien avec la matière noire.
Les astrophysiciens restent pourtant prudents. Le candidat à 251 TeV repose sur une seule détection, avec des incertitudes sur l’énergie reconstruite. D’autres expériences n’ont pas vu de signal comparable à ce niveau. Une annonce isolée ne suffit pas à réécrire un chapitre de physique.
Ce qui progressera vite, c’est la collecte de données. De nouveaux observatoires de rayons gamma, comme le réseau CTAO en construction, pourront capter de futurs sursauts avec davantage de précision. Si un second photon de cette énergie apparaît, la question changera de nature : l’anomalie deviendra un phénomène à comprendre.
Pour l’instant, le BOAT reste à la fois un record d’intensité et un casse-tête. Il rappelle qu’une explosion lointaine peut transporter jusqu’à nous un message sur les limites de nos théories, à condition d’attendre les preuves avant d’enterrer Einstein.
