Crédit d'image: ESO
Détecter ou contraindre les variations temporelles possibles des constantes physiques fondamentales est une étape importante vers une compréhension complète de la physique de base et donc du monde dans lequel nous vivons. Une étape dans laquelle l'astrophysique s'avère la plus utile.
Les mesures astronomiques précédentes de la constante de structure fine - le nombre sans dimension qui détermine la force des interactions entre les particules chargées et les champs électromagnétiques - suggéraient que cette constante particulière augmentait très légèrement avec le temps. Si cela était confirmé, cela aurait des implications très profondes pour notre compréhension de la physique fondamentale.
De nouvelles études, menées à l’aide du spectrographe UVES sur Kueyen, l’un des télescopes de 8,2 m du très grand télescope de l’ESO à Paranal (Chili), ont permis de garantir de nouvelles données d’une qualité sans précédent. Ces données, combinées à une analyse très minutieuse, ont fourni les contraintes astronomiques les plus fortes à ce jour sur la variation possible de la constante de structure fine. Ils montrent que, contrairement aux affirmations précédentes, il n'existe aucune preuve permettant de supposer une variation temporelle de cette constante fondamentale.
Une belle constante
Pour expliquer l'Univers et le représenter mathématiquement, les scientifiques s'appuient sur des soi-disant constantes fondamentales ou nombres fixes. Les lois fondamentales de la physique, telles que nous les comprenons actuellement, dépendent d'environ 25 de ces constantes. Des exemples bien connus sont la constante gravitationnelle, qui définit la force de la force agissant entre deux corps, tels que la Terre et la Lune, et la vitesse de la lumière.
L'une de ces constantes est la «constante de structure fine», alpha = 1 / 137.03599958, une combinaison de la charge électrique de l'électron, de la constante de Planck et de la vitesse de la lumière. La constante de structure fine décrit comment les forces électromagnétiques maintiennent les atomes ensemble et la façon dont la lumière interagit avec les atomes.
Mais ces constantes physiques fondamentales sont-elles vraiment constantes? Ces chiffres sont-ils toujours les mêmes, partout dans l'Univers et à tout moment? Ce n'est pas une question aussi naïve que cela puisse paraître. Les théories contemporaines des interactions fondamentales, telles que la théorie de la grande unification ou les théories des super-cordes qui traitent la gravité et la mécanique quantique de manière cohérente, non seulement prédisent une dépendance des constantes physiques fondamentales avec l'énergie - des expériences de physique des particules ont montré la constante de structure fine à atteindre une valeur d'environ 1/128 à des énergies de collision élevées - mais tenir compte de leurs variations temporelles et spatiales cosmologiques. Une dépendance temporelle des constantes fondamentales pourrait également survenir facilement si, outre les trois dimensions de l'espace, il existe des dimensions plus cachées.
Déjà en 1955, le physicien russe Lev Landau envisageait la possibilité d'une dépendance temporelle de l'alpha. À la fin des années 1960, George Gamow aux États-Unis a suggéré que la charge de l'électron, et donc aussi de l'alpha, pouvait varier. Il est clair cependant que ces changements, le cas échéant, ne peuvent pas être importants ou qu'ils auraient déjà été détectés dans des expériences relativement simples. Le suivi de ces évolutions possibles nécessite donc les techniques les plus sophistiquées et les plus précises.
Retour dans le temps
En fait, on sait déjà qu'il existe des contraintes assez fortes pour la variation possible de la constante de structure fine alpha. L'une de ces contraintes est de nature géologique. Il est basé sur des mesures prises dans l'ancien réacteur à fission naturelle situé près d'Oklo (Gabon, Afrique de l'Ouest) et qui était actif il y a environ 2 000 millions d'années. En étudiant la distribution d'un ensemble donné d'éléments - isotopes des terres rares, par exemple du samarium - qui ont été produits par la fission de l'uranium, on peut estimer si le processus physique s'est déroulé à un rythme plus rapide ou plus lent que prévu. aujourd'hui. Ainsi, nous pouvons mesurer un éventuel changement de la valeur de la constante fondamentale en jeu ici, alpha. Cependant, la distribution observée des éléments est cohérente avec les calculs en supposant que la valeur d'alpha à ce moment était exactement la même que la valeur d'aujourd'hui. Au cours des 2 milliards d'années, le changement d'alpha doit donc être inférieur à environ 2 parties pour 100 millions. S'il est présent, c'est un changement plutôt modeste.
Mais qu'en est-il des changements beaucoup plus tôt dans l'histoire de l'Univers?
Pour mesurer cela, nous devons trouver des moyens d'approfondir le passé. Et c'est là que l'astronomie peut aider. Parce que, même si les astronomes ne peuvent généralement pas faire d'expériences, l'Univers lui-même est un immense laboratoire de physique atomique. En étudiant des objets très éloignés, les astronomes peuvent regarder en arrière sur une longue période de temps. De cette façon, il devient possible de tester les valeurs des constantes physiques lorsque l'Univers n'avait que 25% de son âge actuel, c'est-à-dire il y a environ 10 000 millions d'années.
Balises très éloignées
Pour ce faire, les astronomes s'appuient sur la spectroscopie - la mesure des propriétés de la lumière émise ou absorbée par la matière. Lorsque la lumière d'une flamme est observée à travers un prisme, un arc-en-ciel est visible. Lorsque vous saupoudrez du sel sur la flamme, des lignes jaunes distinctes se superposent aux couleurs habituelles de l'arc-en-ciel, appelées lignes d'émission. En mettant une cellule à gaz entre la flamme et le prisme, on voit cependant des lignes sombres sur l'arc-en-ciel: ce sont des lignes d'absorption. La longueur d'onde de ces raies spectrales d'émission et d'absorption est directement liée aux niveaux d'énergie des atomes dans le sel ou dans le gaz. La spectroscopie nous permet ainsi d'étudier la structure atomique.
La structure fine des atomes peut être observée spectroscopiquement comme la division de certains niveaux d'énergie dans ces atomes. Donc, si l'alpha devait changer avec le temps, les spectres d'émission et d'absorption de ces atomes changeraient également. Une façon de rechercher tout changement dans la valeur de l'alpha au cours de l'histoire de l'Univers est donc de mesurer les spectres de quasars éloignés et de comparer les longueurs d'onde de certaines raies spectrales avec les valeurs actuelles.
Les quasars ne sont ici utilisés que comme balise - la flamme - dans l'Univers très éloigné. Des nuages de gaz interstellaires dans les galaxies, situés entre les quasars et nous sur la même ligne de visée et à des distances variant de six à onze mille millions d'années-lumière, absorbent des parties de la lumière émise par les quasars. Le spectre résultant présente par conséquent des «vallées» sombres qui peuvent être attribuées à des éléments bien connus.
Si la constante de structure fine change au cours de la durée du trajet de la lumière, les niveaux d'énergie dans les atomes seraient affectés et les longueurs d'onde des raies d'absorption seraient décalées de différentes quantités. En comparant les écarts relatifs entre les vallées avec les valeurs de laboratoire, il est possible de calculer alpha en fonction de la distance de nous, c'est-à-dire en fonction de l'âge de l'Univers.
Ces mesures sont cependant extrêmement délicates et nécessitent une très bonne modélisation des raies d'absorption. Ils ont également mis des exigences extrêmement fortes sur la qualité des spectres astronomiques. Ils doivent avoir une résolution suffisante pour permettre une mesure très précise des décalages minuscules dans les spectres. Et un nombre suffisant de photons doit être capturé afin de fournir un résultat statistiquement sans ambiguïté.
Pour cela, les astronomes doivent se tourner vers les instruments spectraux les plus avancés sur les plus grands télescopes. C’est là que le spectrographe à ultraviolets et à échelle visible (UVES) et le télescope Kueyen de 8,2 m de l’ESO à l’Observatoire de Paranal sont imbattables, grâce à la qualité spectrale inégalée et à la grande zone de miroir de collecte de cette combinaison.
Constante ou non?
Une équipe d'astronomes [1], dirigée par Patrick Petitjean (Institut d'Astrophysique de Paris et Observatoire de Paris, France) et Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, Inde) a étudié très attentivement un échantillon homogène de 50 systèmes d'absorption observés avec UVES et Kueyen le long de 18 lignes de vue éloignées de quasars. Ils ont enregistré les spectres des quasars sur un total de 34 nuits pour atteindre la résolution spectrale la plus élevée possible et le meilleur rapport signal / bruit. Des procédures automatiques sophistiquées spécialement conçues pour ce programme ont été appliquées.
De plus, les astronomes ont utilisé des simulations approfondies pour montrer qu'ils peuvent modéliser correctement les profils de ligne pour récupérer une éventuelle variation d'alpha.
Le résultat de cette étude approfondie est qu'au cours des 10 000 derniers millions d'années, la variation relative de l'alpha doit être inférieure à 0,6 partie par million. C'est la contrainte la plus forte des études sur les lignes d'absorption des quasars à ce jour. Plus important encore, ce nouveau résultat ne prend pas en charge les affirmations précédentes d'un changement statistiquement significatif de l'alpha avec le temps.
Fait intéressant, ce résultat est soutenu par une autre analyse - moins approfondie -, également réalisée avec le spectromètre UVES sur le VLT [2]. Même si ces observations ne concernaient que l'un des quasars les plus brillants connus, le HE 0515-4414, cette étude indépendante conforte l'hypothèse d'une absence de variation de l'alpha.
Même si ces nouveaux résultats représentent une amélioration significative de notre connaissance de la (non) variation possible de l'une des constantes physiques fondamentales, l'ensemble actuel de données permettrait en principe toujours des variations relativement importantes par rapport à celles résultant des mesures du réacteur naturel d'Oklo. Néanmoins, de nouveaux progrès sont attendus dans ce domaine avec le nouveau spectromètre de vitesse radiale de très haute précision HARPS sur le télescope de 3,6 m de l’ESO à l’observatoire de La Silla (Chili). Ce spectrographe fonctionne à la limite de la technologie moderne et est principalement utilisé pour détecter de nouvelles planètes autour d'étoiles autres que le Soleil - il peut fournir un ordre de grandeur sur la détermination de la variation de l'alpha.
D'autres constantes fondamentales peuvent être sondées à l'aide de quasars. En particulier, en étudiant les longueurs d'onde de l'hydrogène moléculaire dans l'Univers lointain, on peut sonder les variations du rapport entre les masses du proton et de l'électron. La même équipe est maintenant engagée dans une enquête d'une telle envergure avec le Very Large Telescope qui devrait conduire à des contraintes sans précédent sur ce rapport.
Source d'origine: communiqué de presse de l'ESO
