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Le rayonnement fossile sera-t-il un test pour la théorie des cordes ?

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Un des grands problèmes mobilisant l'attention et l'énergie de la communauté des physiciens est de dépasser les limites du modèle standard des interactions fondamentales. Une des voies prometteuses pour cela est d'étudier les possibles variations des constantes fondamentales de la Nature, comme celle de la fameuse constante de structure fine intervenant en QED. Certaines théories, notamment la théorie des cordes, contiennent naturellement des mécanismes responsables de variations dans le temps et l'espace de cette constante. Deux chercheurs américains ont proposé que le rayonnement fossile soit responsable d'un phénomène mesurable nous permettant de mettre en évidence ces variations !

Le rayonnement fossile sera-t-il un test pour la théorie des cordes ?

Benjamin Wandelt et Rishi Khatri, de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, viennent d'avoir une idée brillante. S'ils ont raison, il devrait être possible non seulement de mettre en évidence une variation dans le temps de la constante de structure fine, mais aussi de le faire sur une période très ancienne de l'histoire de l'Univers, celle des âges sombres.

La période des âges sombres.

Leur méthode consisterait à mesurer, à l'aide du Long Wavelength Array (LWA), un télescope en cours de construction dans l'état du Nouveau Mexique aux Etats Unis, la raie d'absorption à 21 cm de l'hydrogène atomique neutre, présent partout dans l'Univers avant ce qu'on appelle la réionisation.

Pourquoi ?

Tous les processus d'émission et d'absorption de la lumière à l'échelle atomique et moléculaire sont déterminés par les lois de l'électrodynamique quantique, la QED. Or, d'après celle-ci, les formules permettant de calculer quelle quantité de lumière est émise à une longueur d'onde donnée font toutes intervenir une constante fondamentale, la fameuse constante de structure fine α. Si donc, celle-ci n'était en fait pas si constante que ça, des mesures de l'émission caractéristique d'un atome ou d'une molécule adéquate devraient montrer une variation des valeurs attendues au cours du temps.

Cette stratégie était déjà à la base d'études menées sur l'absorption, par des nuages de gaz, de la lumière émise par les quasars à grands décalages vers le rouge. Jusqu'ici de telles études sont restées inconclusives, malheureusement.

Dans le cas considéré, une transition particulière dans les niveaux d'énergies hyperfins de l'atome d'hydrogène, se trouve être particulièrement sensible à toute variation de alpha. C'est précisément cette célèbre transition produite par le basculement entre la position parallèle ou anti-parallèle du spin de l'électron par rapport au spin du noyau de l'atome d'hydrogène. Cela est à l'origine de la fameuse raie d'émission à 21 cm, ayant permis à Oort de cartographier l'hydrogène dans notre Galaxie et de découvrir sa forme en spirale !

Crédits : HyperPhysics (©C.R. Nave, 2006)
Crédits : HyperPhysics (©C.R. Nave, 2006)

Une des multiples preuves de la théorie du Big Bang consiste à observer l'effet du rayonnement fossile sur les atomes et molécules présents dans l'Univers. En effet, si l'Univers évolue bien dans le temps selon cette théorie, la température du rayonnement fossile devait être plus élevée dans le passé. Les photons le composant étant plus énergétiques, ils étaient susceptibles d'exciter certains niveaux d'énergies d'une molécule ou d'un atome correspondant précisément à la leur. Comme regarder loin c'est regarder tôt, il devrait être possible d'observer à une date donnée, correspondant à une température donnée, ces effets d'absorptions. Cela a bien été le cas avec l'atome de carbone neutre et les mesures sont en assez bon accord avec les prédictions numériques.

Entre 10 et 100 millions d'années après le Big Bang, le taux d'absorption des photons du rayonnement fossile cosmologique, le CMB, présente un maximum correspondant précisément à la période où l'énergie des photons le composant est comparable aux niveaux d'énergies de la transition hyperfine de l'atome d'hydrogène. Il y a donc une "raie" d'absorption d'une certaine largeur présente dans le CMB et observable aujourd'hui en tenant compte de son décalage spectral vers le rouge.

Si la constante de structure fine a varié pendant cette période, comprise entre la recombinaison et la réionisation, elle est susceptible de laisser une empreinte de son évolution dans cette "raie".

Il y a quand même un problème important à résoudre. Il existe un fond radio produit par les galaxies, en particulier la nôtre, qui recouvre exactement la bande de longueur d'onde où le signal recherché peut être détecté sur Terre. Il faudra donc, non seulement faire des mesures très précises, mais aussi modéliser ce signal de fond pour le soustraire de celui mesuré. Ce ne sera pas facile, mais Benjamin Wandelt et Rishi Khatri pensent qu'en moins de dix ans, une précision de 0,1% sera quand même atteinte.

La nucléosynthèse et d'autres caractéristiques du CMB avaient déjà permis de poser des bornes supérieures pour la variation dans le temps de la constante de structure fine, seulement quelques %. La fenêtre d'observation ainsi proposée devrait permettre d'étudier de possibles variations d'amplitudes inférieures, et pour des périodes plus anciennes que celles sondées avec les quasars.

La théorie des cordes, en introduisant des dimensions supplémentaires de tailles variables dans le temps et un champ scalaire appelé le dilaton, fait partie des théories prédisant des variations possibles de la constante de structure fine. Qui peut donc prédire ce que le LWA révelera ?

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