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Des constantes fondamentales changeraient dans le temps et l'espace

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Par Laurent Sacco, Futura

La constante de structure fine, exprimée avec des constantes fondamentales de l'électrodynamique quantique, changerait non seulement dans le temps mais aussi dans l'espace, selon une nouvelle étude de chercheurs étudiant la lumière des quasars avec le VLT de l'ESO. Si ces observations se confirmaient, il s'agirait d'une fenêtre sur une nouvelle physique.

Sur ce schéma, la raie d'émission d'un quasar est bien visible dans son spectre avec la forêt Lyman alpha sur sa gauche, comme il est expliqué dans le texte ci-dessus. © Michael Murphy

Revoilà le serpent de mer de la variation de la constante de structure fine... Ce n'est pas la première fois que Michael Murphy et John Webb font état d'observations suggérant que la valeur de cette constante fondamentale, fixant l'intensité des forces électromagnétiques entre des particules chargées, n'était pas la même dans le passé reculé de l'univers. Aujourd'hui, l'équipe entourant ces deux chercheurs annonce que non seulement les observations portant sur la lumière des quasars sont plus solides, mais qu'en plus d'une variation dans le temps, on observe maintenant une variation dans l'espace !

Selon les astrophysiciens, lorsque l'on regarde dans deux directions opposées de la voûte céleste, le sens de variation de la valeur de cette constante est aussi différent. Dans une direction, sa valeur était plus faible dans le passé et dans une autre elle était plus forte. Cette asymétrie dipolaire apparaîtrait avec une valeur qui, dans le jargon des scientifiques, correspond à une déviation de 4,1 sigma par rapport à ce à quoi on s'attendait, une mesure qui se rapproche des 5 sigma nécessaires pour que l'on commence à parler d'une découverte.

Le mathématicien et physicien Arnold Sommerfeld a introduit la constante de structure fine en physique en 1916. © Mathematisches Forschungsinstitut Oberwolfach gGmbH

La constante de structure a déjà fait couler beaucoup d'encre dans le domaine de la physique. Elle a été introduite en physique quantique par Arnold Sommerfeld lorsqu'il perfectionnait la théorie de l'atome de Bohr. Elle se construit à partir du carré de la charge électrique, de la vitesse de la lumière et de la constante de Planck et elle gouverne les processus d'interactions entre lumière et matière.

Sans dimension, sa valeur est indépendante d'une redéfinition des étalons de longueur et de temps, ce qui n'est pas le cas de la valeur de la vitesse de la lumière ou de celle de la charge électrique élémentaire. Avec le rapport de la masse du proton à l'électron, elle détermine largement les équations des processus atomiques et moléculaires en électrodynamique quantique.

La numérologie d'Eddington et l'hypothèse des grands nombres de Dirac

Au début, sa valeur, α, ou plus exactement l'inverse de sa valeur, α-1, semblait être égale à 137. Ce nombre entier a fasciné au moins trois physiciens théoriciens célèbres. Tout abord Eddington qui, croyant avoir trouvé une théorie fondamentale de l'univers, pensait pouvoir prédire sa valeur. Ses idées à ce sujet étaient plus que douteuses mais il semble qu'elles aient conduit indirectement Paul Dirac à sa célèbre hypothèse d'une variation cosmologique dans le temps de certaines constantes fondamentales, par exemple en liaison avec le rapport entre la force électromagnétique et gravitationnelle s'exerçant entre un proton et un électron.

Ce qui est sûr c'est que cette valeur et sa possible prédiction ont beaucoup préoccupé Wolfgang Pauli. Sur le point de mourir à l'hôpital, l'un des pères fondateurs de la théorie quantique des champs relativistes fit remarquer au physicien Charles Enz, qui le visitait, que le numéro de sa chambre était, par une étrange coïncidence, précisément 137 (on sait que Pauli s'était aussi penché sur le concept de synchronicité sur lequel il avait réfléchi avec son psychiatre et ami, Carl Jung).


Une illustration de la méthode d'étude des variations de la constante de structure fine. La lumière émise par un quasar au centre d'une galaxie en collision est observée sur Terre avec les instruments du télescope Keck. © Swinburne-YouTube

Rapidement cependant, il apparut que α-1 n'avait pas une valeur entière et de nos jours les mesures en laboratoire donnent même :

α-1 = 137,035.999.074 (44)

Les travaux de Richard Feynman et Schwinger après la seconde guerre mondiale montrèrent aussi que la valeur de la charge électrique, et donc de la constante de structure fine, n'était pas la même au fur et à mesure que l'on montait en énergie et que l'on sondait des distances de plus en plus courtes avec des collisions de particules chargées.

Toutefois, l'idée de Dirac, selon laquelle la valeur des constantes fondamentales pouvait varier dans le temps en raison de profondes relations entre la cosmologie et l'infiniment petit, est restée. Surtout, elle est revenue en force lorsque l'on s'est rendu compte que des modèles d'unification de la physique introduisant des dimensions spatiales supplémentaires, comme la théorie des cordes, induisaient naturellement des mécanismes de variation dans le temps et l'espace de α-1.

Cela faisait donc un moment que Michael Murphy et John Webb traquaient de telles variations avec des observations faisant l'objet de débats et de réfutations à rebondissement. L'article publié aujourd'hui dans Physical Review Letters et disponible sur arxiv est donc la dernière illustration de cette quête.

Les précédentes observations de chercheurs avaient été faites avec les instruments du télescope Keck, on pouvait donc craindre des erreurs systématiques. Mais en utilisant aujourd'hui le VLT de l'ESO, les astrophysiciens entendaient bien montrer que ce n'était pas le cas en changeant d'instrument d'observation. Ils ont aussi multiplié par deux le nombre de quasars étudiés.

Le message des forêts Lyman alpha

La stratégie utilisée est toujours la même. On sait que les quasars possèdent une forte raie d'émission de l'hydrogène. La lumière de cette raie voyageant entre un quasar et nous, elle voit sa longueur d'onde augmenter du fait de l'expansion de l’univers observable. Lorsque les photons de cette raie sont absorbés par des nuages d'hydrogène s'interposant entre ce quasar et nous, ils donnent lieu à des raies d'absorption différentes, du fait du décalage spectral. On observe donc une véritable « forêt » de raies d'absorption,  la fameuse forêt Lyman alpha. D'autres raies d'absorption sont visibles, liées à des éléments plus lourds.

Sur Terre, en laboratoire, on observe toutes ces raies d'absorption, avec des largeurs caractéristiques que l'on peut calculer à partir de la valeur de la constante de structure fine. On peut donc comparer les raies générées en laboratoire et les raies associées à l'observation des quasars. Si la constante de structure fine change suffisamment dans le temps et dans l'espace, on peut donc espérer le voir en constatant que les raies ne coïncident pas. C'est à ce jeu que les astrophysiciens ont joué avec environ 300 quasars et les télescopes Keck d'Hawaï et du VLT au Chili.

L'anisotropie des valeurs des variations d'alpha apparemment trouvée dans l'espace est très surprenante. Comme pour les neutrinos transluminiques d'Opera, il faudra d'autres mesures pour être sûr que le phénomène observé pointe du doigt une nouvelle physique.