En 2019, les télescopes MAGIC ont détecté le premier Gamma Ray Burst à très haute énergie. Ce fut le rayonnement gamma le plus intense jamais obtenu à partir d'un tel objet cosmique. Mais les données GRB ont plus à offrir :avec d'autres analyses, les scientifiques de MAGIC pourraient maintenant confirmer que la vitesse de la lumière est constante dans le vide et ne dépend pas de l'énergie. Donc, comme beaucoup d'autres tests, Les données GRB corroborent également la théorie de la relativité générale d'Einstein. L'étude vient d'être publiée dans Lettres d'examen physique .

La relativité générale (GR) d'Einstein est une belle théorie qui explique comment la masse et l'énergie interagissent avec l'espace-temps, créant un phénomène communément appelé gravité. GR a été testé et retesté dans diverses situations physiques et sur de nombreuses échelles différentes, et, postuler que la vitesse de la lumière est constante, il s'est toujours avéré qu'il prédisait remarquablement les résultats expérimentaux. Néanmoins, les physiciens soupçonnent que la RG n'est pas la théorie la plus fondamentale, et qu'il pourrait exister une description mécanique quantique sous-jacente de la gravité, appelée gravité quantique (QG).

Certaines théories QG considèrent que la vitesse de la lumière pourrait être dépendante de l'énergie. Ce phénomène hypothétique est appelé violation d'invariance de Lorentz (LIV). Ses effets sont considérés comme trop infimes pour être mesurés, sauf s'ils sont accumulés sur une très longue période. Alors comment y parvenir ? Une solution consiste à utiliser des signaux provenant de sources astronomiques de rayons gamma. Les sursauts gamma (GRB) sont des explosions cosmiques puissantes et lointaines, qui émettent très variable, signaux extrêmement énergétiques. Ce sont donc d'excellents laboratoires pour les tests expérimentaux de QG. Les photons à plus haute énergie devraient être plus influencés par les effets QG, et il devrait y en avoir beaucoup; ceux-ci voyagent des milliards d'années avant d'atteindre la Terre, ce qui renforce l'effet.

Les GRB sont détectés quotidiennement avec des détecteurs satellitaires, qui observent de grandes portions du ciel, mais à des énergies plus basses que les télescopes au sol comme MAGIC. Le 14 janvier, 2019, le système de télescope MAGIC a détecté le premier GRB dans le domaine des énergies téraélectronvolts (TeV, 1000 milliards de fois plus énergétique que la lumière visible), enregistrant ainsi de loin les photons les plus énergétiques jamais observés à partir d'un tel objet. De multiples analyses ont été réalisées pour étudier la nature de cet objet et le rayonnement de très haute énergie.

Tomislav Terzic, un chercheur de l'Université de Rijeka, dit :"Aucune étude LIV n'a jamais été réalisée sur les données GRB dans la gamme d'énergie TeV, simplement parce qu'il n'y avait pas de telles données jusqu'à présent. Depuis plus de vingt ans nous anticipions qu'une telle observation pouvait augmenter la sensibilité aux effets LIV, mais nous ne pouvions pas dire de combien avant de voir les résultats finaux de notre analyse. C'était une période très excitante."

Naturellement, les scientifiques de MAGIC ont voulu utiliser cette observation unique pour rechercher les effets du QG. Au tout début, ils ont cependant fait face à un obstacle :le signal qui a été enregistré avec les télescopes MAGIC s'est décomposé de façon monotone avec le temps. Bien qu'il s'agisse d'une découverte intéressante pour les astrophysiciens étudiant les GRB, il n'était pas favorable au test LIV. Daniel Kerszberg, un chercheur de l'IFAE à Barcelone a déclaré :"en comparant les temps d'arrivée de deux rayons gamma d'énergies différentes, on suppose qu'ils ont été émis instantanément à partir de la source. Cependant, notre connaissance des processus dans les objets astronomiques n'est toujours pas assez précise pour déterminer le temps d'émission d'un photon donné."

Traditionnellement, les astrophysiciens s'appuient sur des variations reconnaissables du signal pour contraindre le temps d'émission des photons. Un signal changeant de façon monotone n'a pas ces caractéristiques. Donc, les chercheurs ont utilisé un modèle théorique, qui décrit l'émission de rayons gamma attendue avant que les télescopes MAGIC ne commencent à observer. Le modèle comprend une montée rapide du flux, le pic d'émission et une décroissance monotone comme celle observée par MAGIC. Cela a fourni aux scientifiques un moyen de chasser réellement le LIV.

Une analyse minutieuse n'a alors révélé aucun retard temporel dépendant de l'énergie dans les temps d'arrivée des rayons gamma. Einstein semble toujours tenir la ligne. "Cela ne veut cependant pas dire que l'équipe MAGIC est repartie les mains vides, " dit Giacomo D'Amico, chercheur à l'Institut Max Planck de physique de Munich; « nous avons pu imposer des contraintes fortes sur l'échelle énergétique QG. Les limites fixées dans cette étude sont comparables aux meilleures limites disponibles obtenues en utilisant des observations GRB avec des détecteurs satellitaires ou en utilisant des observations au sol de noyaux galactiques actifs.

Cédric Perennes, chercheur postdoctoral à l'université de Padoue ajouté, "Nous étions tous très heureux et nous nous sentons privilégiés d'être en mesure d'effectuer la première étude sur la violation de l'invariance de Lorentz jamais réalisée sur des données GRB dans la gamme d'énergie TeV, et d'ouvrir la porte à de futures études !"

Contrairement aux travaux antérieurs, il s'agissait du premier test de ce type jamais réalisé sur un signal GRB à des énergies TeV. Avec cette étude phare, l'équipe MAGIC a ainsi posé les bases de futures recherches et de tests encore plus rigoureux de la théorie d'Einstein au 21e siècle. Oscar Blanc, porte-parole de la collaboration MAGIC, conclut :« Cette fois, nous avons observé un GRB relativement proche. Nous espérons capter bientôt des événements plus brillants et plus lointains, ce qui permettrait des tests encore plus sensibles."