Le 9 octobre 2022, l'espace a offert un spectacle que les astronomes n'avaient jamais vu de toute l'histoire des observations. Le sursaut gamma GRB 221009A, l'explosion cosmique la plus puissante produisant un éclair de rayons gamma, a ébloui les détecteurs en orbite et sur Terre. On l'a surnommé « le plus brillant de tous les temps ». Mais parmi le flot de données se cachait une anomalie : un photon, capté par le détecteur Carpet-3 dans le Caucase, est arrivé avec une énergie d'environ 300 TeV et un retard de 4536 secondes, soit plus d'une heure. Pour une particule voyageant presque à la vitesse de la lumière, c'est une éternité.

La physique standard est ici en difficulté. D'une part, un photon d'une telle énergie aurait dû être absorbé en chemin : la lumière de fond intergalactique, ce faible rayonnement émis par toutes les galaxies de l'Univers, agit comme un brouillard qui disperse les particules de haute énergie. D'autre part, personne ne sait pourquoi il a tant tardé. Les mécanismes astrophysiques ne fournissent pas de réponse. Les auteurs de la nouvelle étude proposent alors une hypothèse audacieuse : peut-être que le vide lui-même n'est pas identique pour tous les photons. Si la vitesse de la lumière dépend légèrement de l'énergie, alors un photon plus énergétique se déplace un peu plus lentement. Il est comme un coureur qui ralentit légèrement sur la distance, et de ce fait, non seulement il arrive en retard, mais il parvient aussi à traverser des obstacles qui seraient fatals aux coureurs rapides.

Cette idée, c'est la violation de l'invariance de Lorentz, le principe selon lequel les lois de la physique sont les mêmes pour tous les observateurs. Dans la théorie de la relativité d'Einstein, la vitesse de la lumière est une constante absolue. Mais certaines théories de la gravité quantique, qui tentent d'unifier la mécanique quantique et la gravité, prédisent qu'à des échelles extrêmement petites, comparables à la longueur de Planck, cette constante pourrait légèrement « respirer ». L'effet est minuscule, mais sur des milliards d'années de voyage, il s'accumule. Les auteurs ont calculé quelle violation pourrait expliquer à la fois le retard et la survie du photon. Il s'avère que la dépendance linéaire ne convient pas : la probabilité de coïncidence avec les données n'est que de 0,1 %, inférieure au bruit de fond aléatoire de 0,9 %. En revanche, un modèle quadratique avec une échelle d'énergie $E_{LIV2}$ = 1,30 (+0,56/-0,35) × $10^{-7}$ fois l'énergie de Planck est cohérent avec toutes les observations.

C'est la première fois qu'une même hypothèse explique deux anomalies à la fois. Auparavant, la violation de l'invariance de Lorentz était invoquée soit pour expliquer comment des particules d'énergie extrême parviennent jusqu'à la Terre, soit pour décrire leur retard. Désormais, les deux énigmes sont résolues ensemble. Si de futurs sursauts gamma produisent des photons aussi en retard, le modèle recevra un soutien solide. En attendant, revenons à l'image du coureur : un photon solitaire, légèrement ralenti dès le début de sa course, a franchi la ligne d'arrivée plus tard que tous les autres, et nous a révélé que l'espace-temps est peut-être plus complexe que nous le pensions.