Crédit d'image: NASA
La théorie générale de la relativité d'Einstein a obtenu une autre confirmation cette semaine grâce aux recherches d'un astronome de la NASA. Les scientifiques ont mesuré l'énergie totale des rayons gamma émis par une rafale de rayons gamma éloignés et ont constaté qu'ils interagissaient avec les particules sur leur chemin vers la Terre d'une manière qui correspondait exactement aux prédictions d'Einstein.
Les scientifiques disent que le principe d'Albert Einstein de la constance de la vitesse de la lumière résiste à un examen extrêmement serré, une découverte qui exclut certaines théories prédisant des dimensions supplémentaires et un tissu spatial "mousseux".
La découverte démontre également que les observations de base au sol et dans l'espace des rayons gamma de la plus haute énergie, une forme d'énergie électromagnétique comme la lumière, peuvent donner un aperçu de la nature même du temps, de la matière, de l'énergie et de l'espace à des échelles extrêmement loin en dessous. le niveau subatomique - quelque chose que peu de scientifiques pensaient possible.
Le Dr Floyd Stecker du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, discute des implications de ces résultats dans un récent numéro d'Astropartic Physics. Son travail est basé en partie sur une collaboration antérieure avec le prix Nobel Sheldon Glashow de l'Université de Boston.
«Ce que Einstein a élaboré avec du crayon et du papier il y a près d'un siècle continue de résister à l'examen scientifique», a déclaré Stecker. "Les observations à haute énergie des rayons gamma cosmiques n'excluent pas la possibilité de dimensions supplémentaires et le concept de gravité quantique, mais ils imposent des contraintes strictes sur la façon dont les scientifiques peuvent procéder pour trouver de tels phénomènes."
Einstein a déclaré que l'espace et le temps étaient en fait deux aspects d'une seule entité appelée espace-temps, un concept à quatre dimensions. C'est le fondement de ses théories de la relativité restreinte et générale. Par exemple, la relativité générale postule que la force de gravité est le résultat d'un espace-temps déformant la masse, comme une boule de bowling sur un matelas.
La relativité générale est la théorie de la gravité à grande échelle, tandis que la mécanique quantique, développée indépendamment au début du XXe siècle, est la théorie de l'atome et des particules subatomiques à très petite échelle. Les théories basées sur la mécanique quantique ne décrivent pas la gravité, mais plutôt les trois autres forces fondamentales: l'électromagnétisme (lumière), les forces fortes (liaison des noyaux atomiques) et les forces faibles (observées en radioactivité).
Les scientifiques espèrent depuis longtemps fusionner ces théories en une «théorie de tout» pour décrire tous les aspects de la nature. Ces théories unificatrices - telles que la gravité quantique ou la théorie des cordes - peuvent impliquer l'invocation de dimensions supplémentaires de l'espace et également des violations de la théorie spéciale de la relativité d'Einstein, telles que la vitesse de la lumière étant la vitesse maximale atteignable pour tous les objets.
Le travail de Stecker implique des concepts appelés principe d'incertitude et invariance de Lorentz. Le principe d'incertitude, dérivé de la mécanique quantique, implique qu'au niveau subatomique, des particules virtuelles, également appelées fluctuations quantiques, apparaissent et disparaissent. De nombreux scientifiques disent que l'espace-temps lui-même est constitué de fluctuations quantiques qui, vues de près, ressemblent à une mousse ou à une «mousse quantique». Certains scientifiques pensent qu'une mousse quantique d'espace-temps peut ralentir le passage de la lumière - tout comme la lumière se déplace à une vitesse maximale dans le vide mais à des vitesses plus lentes dans l'air ou l'eau.
La mousse ralentirait les particules électromagnétiques de haute énergie, ou photons - tels que les rayons X et les rayons gamma - plus que les photons de faible énergie de la lumière visible ou des ondes radio. Une telle variation fondamentale de la vitesse de la lumière, différente pour des photons d'énergies différentes, violerait l'invariance de Lorentz, le principe de base de la théorie spéciale de la relativité. Une telle violation pourrait être un indice qui nous aiderait à nous diriger vers les théories de l'unification.
Les scientifiques ont espéré trouver de telles violations de l'invariance de Lorentz en étudiant les rayons gamma provenant de loin en dehors de la Galaxie. Un sursaut gamma, par exemple, est à une telle distance que les différences de vitesse des photons dans le sursaut, en fonction de leur énergie, peuvent être mesurables - car la mousse quantique de l'espace peut agir pour ralentir la lumière qui a été voyageant chez nous depuis des milliards d'années.
Stecker a regardé beaucoup plus près de chez lui pour constater que l'invariance de Lorentz n'était pas violée. Il a analysé les rayons gamma de deux galaxies relativement proches à environ un demi-milliard d'années-lumière avec des trous noirs supermassifs en leur centre, appelés Markarian (Mkn) 421 et Mkn 501. Ces trous noirs génèrent des faisceaux intenses de photons de rayons gamma qui visent directement La terre. Ces galaxies sont appelées blazars. (Reportez-vous à l'image 4 pour une image de Mkn 421. Les images 1 à 3 sont des concepts d'artistes de trous noirs supermassifs alimentant des quasars qui, lorsqu'ils sont dirigés directement vers la Terre, sont appelés blazars. L'image 5 est une photo du télescope spatial Hubble d'un blazar.)
Certains des rayons gamma de Mkn 421 et Mkn 501 entrent en collision avec des photons infrarouges dans l'Univers. Ces collisions entraînent la destruction des rayons gamma et des photons infrarouges car leur énergie est convertie en masse sous forme d'électrons et d'électrons d'antimatière chargés positivement (appelés positrons), selon la célèbre formule d'Einstein E = mc ^ 2. Stecker et Glashow ont souligné que les preuves de l'annihilation des rayons gamma de la plus haute énergie de Mkn 421 et Mkn 501, obtenues à partir d'observations directes de ces objets, démontrent clairement que l'invariance de Lorentz est bel et bien vivante et n'est pas violée. Si l'invariance de Lorentz était violée, les rayons gamma passeraient à travers le brouillard infrarouge extragalactique sans être annihilés.
En effet, l'annihilation nécessite une certaine quantité d'énergie pour créer les électrons et les positrons. Ce budget énergétique est satisfait pour les rayons gamma de plus haute énergie de Mkn 501 et Mkn 421 en interaction avec les photons infrarouges si les deux se déplacent à la vitesse bien connue de la lumière selon la théorie spéciale de la relativité. Cependant, si les rayons gamma en particulier se déplaçaient à une vitesse plus lente en raison de la violation de l'invariance de Lorentz, l'énergie totale disponible serait inadéquate et la réaction d'annihilation serait un «non».
"Les implications de ces résultats", a déclaré Stecker, "est que si l'invariance de Lorentz est violée, c'est à un si petit niveau - moins d'une partie sur mille milliards - qu'il est au-delà de la capacité de notre technologie actuelle de trouver. Ces résultats peuvent également nous dire que la bonne forme de théorie des cordes ou de gravité quantique doit obéir au principe de l'invariance de Lorentz. »
Pour plus d'informations, reportez-vous à «Contraintes sur les invariances de Lorentz violant la gravité quantique et les modèles de grandes dimensions supplémentaires utilisant des observations de rayons gamma à haute énergie» en ligne à:
Source d'origine: communiqué de presse de la NASA
