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Une preuve pour les nouvelles théories de la gravitation ?

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En étudiant en 2005 la galaxie Markarian 501, les astrophysiciens ont fait une bien curieuse découverte : des photons semblent se déplacer à des vitesses différentes ! Selon les plus audacieux d'entre-eux, il pourrait s'agir d'une des toutes premières preuves en faveur de certaines théories de gravitation quantique comme la Loop Quantum Gravity ou la théorie des supercordes.

Le télescope à rayon gamma Magic sur l'île de La Palma. Crédit : collaboration Magic

L'astrophysique des hautes énergies ne cesse de se développer depuis quelques années. Certains phénomènes en physique des particules élémentaires sont en effet difficilement observables sur Terre, voire pas du tout. Heureusement, l'Univers réalise pour nous les plus grandes expériences de physique de tous les temps, que ce soit avec le Big Bang lui-même ou avec des objets astrophysiques mystérieux mais fascinants : les noyaux actifs de galaxies ou AGN.

On pense actuellement que les noyaux actifs de galaxies, dont les plus spectaculaires sont les célèbres quasars, sont en fait de gigantesques trous noirs de Kerr en rotation entourés par un disque de gaz et de poussières spiralant en direction de l'horizon de ce dernier. Des processus fort complexes de magnétohydrodynamique relativiste se produisent alors, et une partie de l'énergie gravitationnelle associée à la chute de la matière sur le trou noir, ainsi que l'énergie cinétique de rotation de celui-ci, se trouvent converties en faisceaux de particules très énergétiques et en radiations lumineuses. En particulier, des rayons gamma possédant une énergie de quelques Tev (téra elctronVolts) sont produits. En arrivant dans les hautes couches de l'atmosphère terrestre, ils sont convertis en gerbes de particules élémentaires lesquelles, à leur tour, s'accompagnent d'un rayonnement particulier appelé rayonnement Tcherenkov. En mesurant celui-ci au sol, on peut remonter aux caractéristiques précises des photons gamma. C'est ce que font des télescopes gamma terrestres comme Hess en Namibie et Magic sur l'île de La Palma aux Canaries.

Des photons qui semblent ne pas voyager à la vitesse de la lumière

Or, au milieu de l'année 2005, alors que l'équipe de scientifiques utilisant Magic étudiait l'AGN de la galaxie Markarian 501 située à environ 700 millions d'années-lumière, deux flashs gamma correspondant à de véritables éruptions dans une zone très proche du trou noir central furent  enregistrés. La taille de la  région d'où sont originaires ces éruptions ne semble pas excéder la distance que parcourt la lumière en trois secondes et chacune d'entre elles a produit des photons gamma dont les énergies s'échelonnent entre 100 Gev et 10 Tev, et ce, pendant un temps estimé à 2 minutes à peu près. Là où les choses commencent à devenir très intéressantes, c'est que les photons gamma les plus énergétiques sont arrivés sur Terre avec 4 minutes de retard environ sur les moins énergétiques !

Ce décalage ne semble pas avoir d'explication dans le cadre de la physique établie et des modèles des noyaux actifs de galaxies. Mais comme la théorie des AGN reste approximative, il n'est pas non plus exclu qu'une compréhension un peu plus fine de la physique des plasmas autour d'un trou noir de quelques millions à quelques milliards de masses solaires ne fournisse une explication naturelle.

Beaucoup pensent donc qu'avant de faire intervenir des hypothèses plus exotiques, il serait plus sage d'attendre que les observations et les modèles se perfectionnent. D'ailleurs, l'échelle de temps des éruptions et celle des décalages observés sont quasiment identiques.

On pourrait très bien imaginer un processus classique aux abords du trou noir conduisant à un piégeage temporaire des rayons gamma les plus énergétiques. On sait bien, par exemple, que les photons produits au cœur du Soleil mettent un million d'années pour en sortir, à cause de chocs successifs avec la matière solaire, alors que les neutrinos faiblement couplés à cette dernière quittent la surface solaire presque instantanément.

John Ellis dans la salle de prise de données du détecteur Auger en Argentine (Crédit : John Ellis).

Prévu par des théories non conventionnelles

Seulement voilà, il y a dix ans, les théoriciens John Ellis, Nick Mavromatos et leur collègue Dimitri Nanopoulos, en utilisant la théorie des cordes, avaient prédit que le jour où la sensibilité des télescopes gamma aurait atteint un niveau suffisant, des phénomènes comme ceux de Markarian 501 seraient observés.

Simultanément, une des théories alternatives de la gravitation quantique, la théorie de gravitation quantique à boucles ou en anglais la Loop Quantum Gravity, avait fourni des prédictions similaires comme l'avait souligné fortement Giovanni Amelino-Camelia. Une publication conjointe avait d'ailleurs été faite par ces théoriciens, pour qui l'expression « gravitation quantique expérimentale » ne devait pas nécessairement être condamnée à n'être qu'un oxymoron, tellement les différents phénomènes prédits par les spéculations des théoriciens semblaient devoir être à tout jamais inaccessibles aux observations et à l'expérimentation, en raison des incroyables énergies nécessaires pour les produire en laboratoire.

Giovanni Amelino-Camelia (Crédit : Institute for Gravitational Physics and Geometry at The Pennsylvania State University).

Espace-temps en ébullition

En tout premier lieu, il faut bien garder à l'esprit que le tissu de l'espace-temps peut être considéré comme un milieu élastique et déformable comme Einstein nous l'a appris. Sa structure même impose des limites à la façon dont des signaux peuvent se déplacer dans l'Univers, qu'ils soient constitués par des particules sans masse comme le photon et le graviton ou au contraire massives comme les protons et les neutrinos. Ce qui veut dire que si sa structure change, le comportement  des particules précédentes, et surtout la façon dont elles peuvent se déplacer dans l'Univers, pourront être affectés.

En particulier, John Wheeler et Stephen Hawking ont défendu depuis longtemps l'idée qu'en raison des lois de la mécanique quantique, si l'espace-temps semble lisse et calme à notre échelle, il n'en est pas de même lorsqu'on le considère à des échelles de distances bien plus petites qu'un milliardième de la taille d'un noyau d'atome. Si l'on se donne une image de fluide pour décrire ce qui se passe à une échelle de 10-35 m, la longueur de Planck, on obtient celle d'un liquide en ébullition, très turbulent. Les lois de la gravitation quantique impliquent en effet alors une structure très similaire à celle de l'écume d'une vague se brisant sur un rocher. C'est ce que John Wheeler a justement baptisé en anglais la « foam like structure » de l'espace-temps. 

 
La structure en écume de l'espace-temps (Crédit : Brian Greene/Nova)

L'apparition de ce phénomène n'est pas difficile à comprendre si l'on se rappelle que d'après les lois de la théorie quantique des champs l'espace est continuellement agité par la formation et la disparition de particules virtuelles de toutes sortes. Une théorie quantique du champ de gravitation doit donc elle aussi conduire à des fluctuations quantiques violentes, mais transitoires, de la structure de l'espace-temps avec apparition temporaire de trous de vers et de trous noirs virtuels.

Or, plus un photon est énergétique, plus sa longueur d'onde est courte. Ce qui veut dire qu'il sera d'autant plus sujet à être affecté par la structure microscopique de l'espace-temps. Plus cette longueur sera courte, plus les fluctuations conduisant à l'apparition de mini trous noirs virtuels modifieront sa trajectoire dans l'espace-temps. Un phénomène analogue peut d'ailleurs être observé à l'occasion d'une éclipse, on voit alors facilement que le champ de gravitation du Soleil dévie la lumière des étoiles. En zoomant sur une trajectoire apparemment rectiligne à l'échelle de l'atome, on verra plutôt en fait une courbe irrégulière avec de nombreuses inflexions. Ce qui fait que la longueur réelle parcourue par le photon sera plus longue que celle naïvement estimée en première approximation.

L'effet est bien sûr extrêmement faible mais il augmente avec l'énergie des photons, et surtout, lorsque l'on considère des distances cosmologiques dépassant les centaines de millions d'années-lumière.

Au final, les photons émis simultanément par une source à l'autre bout de l'Univers ne devraient pas arriver en même temps dans des détecteurs sur Terre. La question qui se pose est donc alors la suivante : quelle sera la valeur du décalage temporel en fonction de la distance et de l'énergie des photons ?

A droite de John Ellis, Nick Mavromatos (Crédit : John Ellis).

En utilisant la théorie de cordes, et plus précisément ses prolongements faisant intervenir ce qu'on appelle des D-branes, John Ellis et ses collègues avaient alors entrepris d'étudier d'un peu plus près la structure en écume de l'espace-temps. De façon intéressante, les D-branes que l'on peut décrire par des sortes de surfaces dans l'espace-temps, peuvent conduire à une structure cellulaire, rappelant un peu celle d'un réseau cristallin, pour la structure de l'espace-temps lorsque les effets de la gravitation quantique deviennent dominants.

Une structure discrète semble alors émerger dans certains cas, exactement comme le prédisent les théoriciens de la Loop Quantum Gravity. Les deux approches sont donc peut-être complémentaires pour décrire l'effet de la structure quantique de l'espace-temps sur la propagation des photons. De fait, ces deux approches pour la gravitation quantique que sont la théorie des cordes et la LQG, conduisent à des formules similaires pour décrire cet effet.

Ne nous y trompons pas, les calculs restent encore approximatifs. Mais si l'on note E l'énergie des photons, Ep celle de l'énergie caractéristique à laquelle les effets de la gravitation quantique doivent devenir dominants, alors on trouve pour la vitesse effective v des photons dans le cadre de la théorie des cordes la formule suivante :

                                             vc [1- (E/Ep)n]

Et, dans le cadre de la LQG :

                                             vc [1+alpha(E/Ep)n]

Précisons que n est un paramètre entier mais libre dans les deux cas.

Si dans le cadre de la théorie des cordes la vitesse de photons, ou d'autres particules, reste toujours subluminique et inférieure à c, il n'en est pas nécessairement de même en LQG à cause du paramètre alpha qui peut désigner aussi bien un signe - qu'un signe +. Dans l'état actuel des choses, la LQG autorise donc certains effets supraluminiques.

La forme des relations précédentes n'est pas nouvelle en physique. Elle se rencontre fréquemment en physique des ondes : il s'agit de relations de dispersions.

Bien plus, cela décrit simplement un milieu d'indice variable comme un morceau de verre ou un plasma. On comprend donc bien que le phénomène observé en liaison avec le trou noir central de MKN 501, faisant justement intervenir la physique des plasmas, pourrait fort bien s'expliquer sans faire appel à de la gravitation quantique. Bien évidemment, cette possibilité a été étudiée par les chercheurs mais elle ne semble pas être l'explication la plus probable.

D'après Nick Mavromatos du King's College à Londres " SI le résultat observé n'est pas lié directement aux caractéristiques de sa source...ce qui ne peut pas encore être affirmé avec certitude puisqu'une seule observation a été réalisée jusqu'ici..., alors celui-ci constituera la première détection positive de l'effet dispersif du vide. Dans le papier que nous avons publié nous avons donné des arguments contre une explication plus conventionnelle basée sur la physique des plasmas, mais comme nous le disons dans l'article, nous ne pouvons pas exclure qu'une autre explication, mais toujours liée à la source ne soit responsable du retard des photons au stade de l'émission... Pour être sûr que cet effet soit bien une signature de gravitation quantique, il doit être observé à nouveau pour d'autres sources, en particulier des sursauts gamma. C'est seulement lorsqu'un nombre important de cas aura été observé et que la statistique sera devenue suffisante, que l'on pourra séparer ce qui est lié à la source elle-même et ce qui n'y est pas. »