Il y a un problème gênant et ennuyeux avec notre compréhension des lois de la nature que les physiciens tentent d’expliquer depuis des décennies. Il s’agit d’électromagnétisme, la loi de l’interaction des atomes et de la lumière, qui explique tout, depuis pourquoi vous ne tombez pas à travers le sol jusqu’à pourquoi le ciel est bleu.
Notre théorie de l’électromagnétisme est sans doute la meilleure théorie physique que les humains aient jamais faite, mais elle n’a pas de réponse pour expliquer pourquoi l’électromagnétisme est aussi fort qu’il l’est. Seules les expériences peuvent vous dire la force de l’électromagnétisme, qui est mesurée par un nombre appelé α (alias alpha, ou la constante de structure fine).
Le physicien américain Richard Feynman, qui a contribué à l’élaboration de la théorie, appelé ça « l’un des plus grands mystères de la physique » et a exhorté les physiciens à « afficher ce chiffre sur leur mur et à s’en inquiéter ».
Dans une recherche qui vient d’être publiée dans La science, nous avons décidé de tester si α est le même à différents endroits de notre galaxie en étudiant des étoiles qui sont des jumeaux presque identiques de notre soleil. Si α est différent à différents endroits, cela pourrait nous aider à trouver la théorie ultime, non seulement de l’électromagnétisme, mais de toutes les lois de la nature ensemble – la « théorie de tout ».
Nous voulons casser notre théorie préférée
Les physiciens veulent vraiment une chose : une situation où notre compréhension actuelle de la physique s’effondre. Nouvelle physique. Un signal qui ne peut être expliqué par les théories actuelles. Un poteau indicateur pour la théorie du tout.
Pour le trouver, ils pourraient attendre profondément sous terre dans une mine d’or pour que des particules de matière noire entrent en collision avec un cristal spécial. Ou ils pourraient entretenez soigneusement les meilleures horloges atomiques du monde pendant des années pour voir s’ils indiquent un temps légèrement différent. Ou écraser des protons ensemble à (presque) la vitesse de la lumière dans l’anneau de 27 km du Grand collisionneur de hadrons.
Le problème, c’est qu’il est difficile de savoir où chercher. Nos théories actuelles ne peuvent pas nous guider.
Bien sûr, nous regardons dans les laboratoires sur Terre, où il est plus facile de chercher de manière approfondie et précise. Mais c’est un peu comme le ivre ne cherchant que ses clés perdues sous un lampadaire alors qu’en fait, il aurait pu les perdre de l’autre côté de la route, quelque part dans un coin sombre.
Les étoiles sont terribles, mais parfois terriblement similaires
Nous avons décidé de regarder au-delà de la Terre, au-delà de notre système solaire, pour voir si les étoiles qui sont des jumeaux presque identiques de notre soleil produisent le même arc-en-ciel de couleurs. Les atomes dans les atmosphères des étoiles absorbent une partie de la lumière luttant vers l’extérieur des fours nucléaires dans leurs noyaux.
Seules certaines couleurs sont absorbées, laissant des lignes sombres dans l’arc-en-ciel. Ces couleurs absorbées sont déterminées par α, donc mesurer très soigneusement les lignes sombres nous permet également de mesurer α.
Le problème, c’est que les atmosphères des étoiles bougent – bouillant, tournoyant, tournant, rotant – et cela déplace les lignes. Les décalages gâchent toute comparaison avec les mêmes lignes dans les laboratoires sur Terre, et donc toute chance de mesurer α. Les étoiles, semble-t-il, sont des endroits terribles pour tester l’électromagnétisme.
Mais nous nous sommes demandé : si vous trouvez des étoiles très similaires – jumelles les unes des autres – peut-être que leurs couleurs sombres et absorbées sont également similaires. Ainsi, au lieu de comparer des étoiles à des laboratoires sur Terre, nous avons comparé des jumeaux de notre soleil entre eux.
Un nouveau test avec des jumeaux solaires
Notre équipe d’étudiants, de postdoctorants et de chercheurs seniors, à l’Université de technologie de Swinburne et à l’Université de Nouvelle-Galles du Sud, a mesuré l’espacement entre les paires de raies d’absorption dans notre soleil et 16 « jumeaux solaires » – des étoiles presque impossibles à distinguer de notre soleil.
Les arcs-en-ciel de ces étoiles ont été observés sur le Télescope de 3,6 mètres de l’Observatoire européen austral (ESO) au Chili. Bien qu’il ne s’agisse pas du plus grand télescope au monde, la lumière qu’il collecte est probablement transmise au spectrographe le mieux contrôlé et le mieux compris : HARPES. Cela sépare la lumière en ses couleurs, révélant le motif détaillé des lignes sombres.
HARPS passe une grande partie de son temps à observer des étoiles semblables au soleil pour rechercher des planètes. Pratiquement, cela a fourni un trésor contenant exactement les données dont nous avions besoin.
A partir de ces spectres exquis, nous avons montré que α était le même dans les 17 jumeaux solaires avec une précision étonnante : seulement 50 parties par milliard. C’est comme comparer votre taille à la circonférence de la Terre. C’est le test astronomique de α le plus précis jamais réalisé.
Malheureusement, nos nouvelles mesures n’ont pas brisé notre théorie préférée. Mais les étoiles que nous avons étudiées sont toutes relativement proches, à seulement 160 années-lumière.
Et après?
Nous avons récemment identifié de nouveaux jumeaux solaires beaucoup plus loin, à peu près à mi-chemin du centre de notre galaxie, la Voie lactée.
Dans cette région, il devrait y avoir une concentration beaucoup plus élevée de matière noire, une substance insaisissable qui, selon les astronomes, se cache dans toute la galaxie et au-delà. Comme α, nous en savons très peu sur la matière noire, et quelques physiciens théoriciens suggèrent que les parties intérieures de notre galaxie pourraient n’être que le coin sombre où nous devrions rechercher des connexions entre ces deux « foutus mystères de la physique ».
Si nous pouvons observer ces soleils beaucoup plus éloignés avec les plus grands télescopes optiques, nous trouverons peut-être les clés de l’univers.
Plus d’information:
Michael T. Murphy et al, Une limite sur les variations de la constante de structure fine à partir des spectres d’étoiles proches du Soleil, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abi9232
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