En traquant les photons de très haute énergie, le télescope Fermi pourrait bousculer une hypothèse fondamentale de la relativité générale : la constance de la vitesse de la lumière. Interview.

Science & Vie : Comment vous est venue l'idée de l'hypothèse de la constance de la lumière ?
Peter Michelson (responsable du Large Area Telescope du satellite Fermi) : Le 10 mai 2009, le Fermi a enregistré un bref sursaut gamma, une bouffée de photons de très haute énergie située à 7 milliards d'années-lumière de la Terre, et qui pourrait résulter de la fusion de deux étoiles à neutrons, ou de la formation d'un trou noir. Or, nous avons observé que les photons dont l'énergie était la plus grande, donc la longueur d'onde la plus petite, étaient parvenus jusqu'à nos détecteurs 0,829 seconde après ceux dont l'énergie était la plus petite et la longueur d'onde la plus grande. Le plus probable est que ce décalage soit intrinsèque à la source qui a émis le sursaut. Mais il n'est pas impossible qu'il s'agisse de la conséquence d'un effet quantique de la gravitation...

S&V : Que voulez-vous dire ?
P.M. : La relativité générale est une théorie classique de la gravitation : elle ne rend donc pas compte d'effets quantiques qui devraient se manifester à de minuscules échelles de distance. Or, certaines théories quantiques de la gravitation, encore spéculatives, prévoient qu'à l'échelle de la longueur de Planck (10^-35 mètre), l'espace-temps, lisse à notre échelle, devient "granuleux". Il pourrait en résulter que la vitesse d'un photon (donc de la lumière) dépende de sa longueur d'onde : un photon de très courte longueur d'onde, donc de très haute énergie, voyagerait moins vite qu'un photon moins énergétique. Mais le retard que nous avons constaté, au regard de la distance parcourue, est inférieur à ce que prédisent les versions les plus simples des théories quantiques actuelles de la gravitation.

S&V : Votre observation confirmerait donc plutôt la relativité générale ?
P.M. : Disons qu'elle fixe une limite supérieure pour une violation de la constance de la vitesse de la lumière. À l'avenir, nous espérons détecter d'autres sursauts gamma du même type provenant de sources situées à des distances différentes. Cela permettra de mieux discerner la partie du retard liée à la source, de celle éventuellement due à une variation de la vitesse de la lumière. Et donc de mieux contraindre les théories visant à dépasser la relativité générale d'Einstein.

De l'hydrogène moléculaire et du monoxyde de carbone ont été pour la première fois identifiés dans la lumière d'un sursaut gamma survenu à 11,5 milliards d'années-lumière.

Une observation qui indique une intense formation d'étoiles dans la galaxie ou s'est produit l'événement.

Lorsque les sursauts gamma furent découverts à la fin des années 1960 par un satellite espion américain, les spécialistes crurent à des explosions nucléaires soviétiques. Il apparut que ces bombardements intenses de rayons gamma provenaient de l'Univers, en dehors de notre galaxie.

Avant Fermi, les instruments en avaient repéré des milliers mais à "faible" énergie. Seuls quatre ou cinq à haute énergie avaient été capturés. Depuis août 2008, le satellite en a repéré 13. "Ces sursauts gamma permettent de tout faire", témoigne Frédéric Piron, du Laboratoire de physique théorique et astroparticules (Montpellier).

De l'astrophysique bien sûr, car l'origine de ces bouffées reste mal connue. Elles seraient le résultat d'explosion d'étoiles massives ou de la fusion d'un trou noir avec une étoile ou de deux étoiles très denses.
De la cosmologie, car ces rayons très intenses peuvent venir de loin, voire des premières générations d'étoiles et de galaxies quelque 600 millions d'années après le Big Bang. Leur énergie renseigne sur les quantités de matière mises en jeu, donc sur la nature des objets présents à cette époque.
De la physique des particules également, car ces sursauts pourraient expliquer l'origine mystérieuse des rayons cosmiques qui bombardent la Terre. Accélérées bien plus fortement que dans un accélérateur terrestre, ces particules ont dû être propulsées par un mécanisme violent, qui pourrait être le même que celui à l'origine des sursauts gamma.
Enfin, des tests de physique très pointus, nécessitant des énergies colossales, sont possibles. En novembre, l'équipe a ainsi confirmé une des bases de la théorie de la relativité d'Einstein : les photons vont à la même vitesse, quelle que soit leur énergie.

Les sursauts gamma de plus de 100 secondes seraient provoqués par un trou noir s'immisçant dans son étoile compagnon, selon une étude récente.

En juillet, S&V présentait ces flashs intenses d'énergie observés aux confins de l'Univers, qui s'expliqueraient par l'effondrement d'une étoile géante en fin de vie. Après sa mort, un trou noir naîtrait en son cour, formerait un disque d'accrétion, et expulserait la matière sous forme de deux jets opposés ultra-énergétiques. Plus la matière de l'étoile tombe vite dans le trou noir, plus bref serait le sursaut gamma. "C'est justement là le problème, explique Serguei Komissarov, un des auteurs de l'étude, pour qu'un sursaut gamma dure plus de 100 secondes, il faut que la matière tombe très progressivement. Elle doit donc opposer une force centrifuge énorme pour ralentir sa chute." Or, aucune étoile ne peut tourner aussi vite sur elle-même, sauf si... elle est couplée avec un trou noir ! Les chercheurs ont donc simulé un tel système binaire : lorsque le trou noir s'engouffre, le disque d'accrétion formé provoque un sursaut gamma plus long...

Propos recueillis par David Fossé : Isabelle Grenier est professeur à l'université Paris-Diderot et chercheuse au service d'astrophysique du CEA.

Les sursauts gamma émettent en quelques secondes autant d'énergie que le Soleil durant toute sa vie. Emis lors de l'explosion d'étoiles très massives, ou lors de la coalescence d'étoiles à neutrons, ce sont bien les plus puissants objets de l'Univers.

Ciel & Espace : Quels sont les phénomènes les plus puissants de l'Univers ?
Isabelle Grenier : Si l'on parle de la puissance au sens où on l'entend en physique (la quantité d'énergie émise en un temps donné), ce sont sans aucun doute les sursauts gamma. Ces flashes cosmiques rayonnent autant d'énergie en quelques secondes que le Soleil pendant toute sa vie. Lorsqu'on les a découverts par hasard, au début des années 1970 - grâce a des satellites américains chargés de repérer d'éventuelles explosions atomiques soviétiques. 0n n'avait aucune idée de leur puissance.

C&E : Qu'est-ce qui provoque des flashes si intenses ?
I.G. : On s'est très vite tourné vers des objets massifs et compacts, dotés d'un champ de gravitation intense. Dans l'Univers, c'est la gravitation qui convertit le plus efficacement la masse en énergie lumineuse. Même les réactions nucléaires, au cour du Soleil, ne transforment que 0,7 % de la masse en rayonnement. Dans un disque d'accrétion autour d'un trou noir, le rendement est dix fois meilleur... On imagine donc que les sursauts gamma sont émis lors de la formation brutale d'un trou noir par implosion du cour d'une étoile massive. En quelques secondes, le trou noir se crée, absorbe les couches internes d'une étoile qui tombent en spiralant, et fabrique un jet de rayons gamma qui, s'il est dirigé vers la Terre, est repéré comme un brillant coup de flash.

C&E : Ce mécanisme explique tous les sursauts que l'on observe ?
I.G. : Non, il ne vaut que pour les sursauts "longs", qui durent plusieurs secondes. Pour les sursauts inférieurs à la seconde, il y a un autre modèle. Ceux-ci sont probablement émis lors de la coalescence de deux étoiles à neutrons. À cette occasion, il y a aussi formation d'un jet. Evidemment, dans les détails, rien n'est réglé. Par exemple, on ne sait pas vraiment comment se forme le jet. Mais ça, c'est un problème très général en astrophysique.