L'impression de cet artiste montre à quoi pouvait ressembler, il y a 12,9 milliards d'années, ULAS J1120 + 0641, un quasar très éloigné alimenté par un trou noir d'une masse de deux milliards de fois celle du Soleil. © ESO, M. Kornmesser

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Des signes d'une nouvelle physique avec une variation d'une constante fondamentale ?

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[EN VIDÉO] Interview : les constantes fondamentales pourraient-elles changer ?  Dans le domaine des sciences, il existe des constantes physiques dont la valeur numérique est fixe. Ces valeurs, indépendantes de tout autre paramètre, pourraient-elles changer au cours du temps et de l’espace ? Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Richard Taillet, chercheur au Lapth, afin qu'il nous parle plus longuement de ces constantes. 

La constante de structure fine est l'équivalent de la constante de la gravitation mais pour la force électromagnétique. En utilisant une technique d'intelligence artificielle pour analyser la lumière de très anciens quasars, une équipe de physiciens confirme y voir des indices de sa variation dans l'espace, ce qui pointerait en direction d'une nouvelle physique, comme celle de la théorie des supercordes.

Tout au long du XXe siècle, les avancées de la science n'ont fait que montrer à quel point le concept d'évolution était une clé fondamentale pour comprendre le cosmos à tous les niveaux comme le soutenaient déjà, dans les années 1930, les philosophes et scientifiques visionnaires qu'étaient le paléontologue et géologue, Teilhard de Chardin, et le mathématicien, Alfred North Whitehead. Non seulement la biosphère évolue mais la Terre elle-même, jusqu'aux galaxies et à l'espace-temps puisqu'il est en expansion.

Dès lors, on pouvait arriver à la conclusion qu'il était naturel de se pencher sur le cas des lois de la physique et d'envisager qu'elles aussi pouvaient varier dans l'espace et dans le temps. De fait, de la fin des années 1930 au début des années 1960, des physiciens comme Dirac, Jordan, Brans et Dicke vont proposer des théories dans lesquelles des constantes fondamentales de la nature peuvent varier dans le temps et dans l’espace. Plus précisément, ils vont associer des champs scalaires à la constante de la gravitation de Newton et à la fameuse constante de structure fine introduite par Sommerfeld et qui caractérise, elle, l'intensité de la force électromagnétique.

Ces champs scalaires, analogues au champ du boson de Brout-Englert-Higgs pouvaient notamment être la manifestation de dimensions spatiales supplémentaires dans le cadre des fameuses théories de Kaluza-Klein, cadre repris sous une forme renouvelée avec la théorie des supercordes. On aboutissait alors à une classe de nouvelles théories de la gravitation dites tenseur-scalaire avec des paramètres sur lesquels se posent sans cesse de nouvelles contraintes depuis des décennies avec des tests expérimentaux. Ces théories sont un exemple d'une nouvelle physique que l'on peut tenter de révéler par des études dans le domaine de la cosmologie et en particulier par l'étude de l'énergie noire. On pourra consulter sur ces sujets la revue très complète de Jean-Philippe Uzan.

En 2011, le quasar ULAS J1120+0641 était le plus lointain connu. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © European Southern Observatory (ESO)

Des théories de Kaluza-Klein testables avec la lumière des quasars

Futura a rendu compte de certains de ces tests dans les précédents articles ci-dessous et aujourd'hui, une publication dans le célèbre journal Science Advances revisite des observations déjà faites depuis des années par l'astrophysicien John Webb, de l'université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW Sydney), avec des collèges. Ces observations ont bénéficié de nouvelles analyses menées avec l'aide de l'intelligence artificielle et elles consolident les résultats obtenus en 2011 par John Webb (voir l'article Futura de 2011) étudiant la lumière de certains quasars avec le VLT de l'ESO. L'un des astres étudiés est célèbre puisqu'il s'agit d'ULAS J112001.48+064124.3 (abréviation informelle ULAS J1120+0641), un quasar situé dans la constellation du Lion à une distance d'environ 12,9 milliards d'années-lumière du Système solaire, l'un des plus lointains trous noirs supermassifs connus.

L'idée de base de la méthode utilisée est la même qu'en 2011 et il s'agit de tenter de surprendre des variations dans l'espace et dans le temps de la constante de structure fine. Pour cela, c'est l'Effet Gunn-Peterson qui est mobilisé. Au début de l'histoire du cosmos observable, alors que les premières étoiles et galaxies se forment, l'univers contient encore beaucoup d'hydrogène neutre entre les galaxies. Le rayonnement issu des quasars va donc être partiellement absorbé lors de son voyage vers nous. Mais, comme les masses de gaz absorbantes sont à diverses distances, elles subissent des décalages spectraux vers le rouge d'autant plus prononcés que la lumière a voyagé longtemps pour rejoindre les télescopes de l'humanité. Celle-ci va donc voir une série de raies d'absorptions des atomes d'hydrogène neutres mais décalées les unes les autres.

La valeur de ces raies dépend aussi de la valeur de la constante de structure fine. Si celle-ci varie dans l'espace et dans le temps suffisamment, nous pouvons donc en théorie déceler des modifications de la carte d'identité spectrale de l'atome d'hydrogène neutre. John Webb et ses collègues confirment aujourd'hui qu'ils voient bel et bien des modifications dans l'espace selon les directions et la distance de cette carte d'identité. Mais, toujours à un niveau de 4 sigma environ comme disent les physiciens dans leur jargon. C'est intriguant mais il faudrait avoir 5 sigma pour pouvoir parler d'une vraie découverte.

Une cosmologie relativiste anisotrope ?

En attendant des progrès dans ce sens, les chercheurs confirment qu'ils voient des changements de la constante de structure fine dans deux directions opposées et qu'il semble donc y avoir une anisotropie dans les propriétés physiques du cosmos observable. Il se trouve que, récemment, d'autres cosmologistes et astrophysiciens ont fait état d'une anisotropie dans la vitesse d'expansion de l’univers observable.

Des solutions des équations d'Einstein sont connues depuis longtemps pouvant décrire des univers anisotropes, donc avec des propriétés physiques différentes et des vitesses d'expansion différentes. On les appelle des univers de Bianchi, du nom des travaux du mathématicien italien Luigi Bianchi. Il avait déjà été possible de tester leur pertinence en étudiant le rayonnement fossile avec Planck, sans succès jusqu'à présent. Faudra-t-il ré-éxaminer cette pertinence en complément des cosmologies de type Kaluza-Klein dans lesquelles les dimensions spatiales supplémentaires et microscopiques, derrière des champs pouvant correspondre à des constantes fondamentales de la physique, peuvent évoluer dans le temps comme dans le cas des dimensions spatiales macroscopiques connues ? Espérons que nous ne sommes pas loin de répondre de façon positive à cette question...

  • La constante de structure fine est l'équivalent de la constante de la gravitation mais pour la force électromagnétique.
  • Depuis plus de 80 ans, les physiciens s'interrogent sur d'éventuelles variations dans l'espace et dans le temps de cette constante fondamentale dont la valeur serait donnée par un champ scalaire, peut-être en rapport avec une nouvelle théorie de la gravitation.
  • En utilisant une technique d'intelligence artificielle pour analyser la lumière de très anciens quasars, une équipe de physiciens confirme y voir des indices de sa variation dans l'espace, ce qui pointerait en direction d'une nouvelle physique, comme celle de la théorie des supercordes.
  • D'autres tests de cette idée sont possibles, par exemple avec des trous noirs.
Pour en savoir plus

Cette constante de la physique reste inchangée, même aux abords d’un trou noir supermassif

Article de Nathalie Mayer publié le 01/03/2020

Pour valider les modèles de la physique, les chercheurs s'intéressent de près à ces nombres que l'on considère comme des constantes. Et aujourd'hui, tout particulièrement à la constante de structure fine. Des physiciens montrent qu'elle reste la même à proximité du trou noir supermassif du centre de notre Voie lactée.

La constante de structure fine est celle qui définit l'intensité des interactions entre les particules chargées et les champs électromagnétiques. Le modèle standard annonce que -- comme d'autres que sont la masse de l'électron ou la vitesse de la lumière dans le vide -- cette constante est la même en tout point de l'univers et en tout temps... comme son nom le suggère. Mais des théories alternatives imaginent qu'elle puisse varier.

Des chercheurs ont déjà montré que la constante de structure fine ne varie pas dans le temps. Et aujourd'hui, pour la première fois, des physiciens de l'Observatoire de Paris (France) montrent qu'elle reste aussi la même dans un environnement gravitationnel extrême. Celui qui règne à proximité du trou noir supermassif situé au cœur de notre Voie lactée.

En 2014, des astrophysiciens avaient montré que la constante de structure fine n’avait pas varié au cours des 10 derniers milliards d’années. Le tout en analysant la lumière émise par un quasar tel que celui proposé ici en vue d’artiste. © Nasa, Wikipedia, Domaine public

Une constante de structure fine bien constante

Pour en arriver à cette conclusion, les chercheurs ont étudié la lumière reçue de cinq étoiles naviguant autour de Sagittarius A*. Car, si la constante de structure fine était différente au centre de notre galaxie de ce qu'elle est sur Terre, les écarts entre les raies d'absorption du spectre de ces étoiles diffèreraient aussi. Or, ces raies se sont avérées conformes à ce que les physiciens attendaient. Confirmant que la constante de structure fine, une grandeur sans dimension environ égale à 1/137, ne peut pas varier de plus de 10-5.

Rappelons qu'en 2013, une autre équipe avait montré que la constante de structure fine ne variait pas dans un autre type d'environnement gravitationnel extrême : la surface d'une naine blanche. Une étoile morte d'une formidable densité. Un résultat que les travaux des chercheurs de l'Observatoire de Paris viennent donc aujourd'hui confirmer un peu plus.


Des constantes fondamentales changeraient dans le temps et l'espace

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.

Article de Laurent Sacco paru le 02/11/2011

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.

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