Nous considérons généralement les constantes physiques comme fixes. C’est pourquoi on les appelle ainsi. Ils devraient toujours être les mêmes, peu importe où nous nous trouvons dans l’espace et dans le temps. Ils résultent des lois de la physique selon lesquelles fonctionne l’univers tout entier. Mais selon certains avis, au moins certaines constantes ne sont pas totalement immuables…
Il s’agit notamment de la constante de structure fine, également connue sous le nom de Sommerfeldova et généralement désigné par la lettre grecque alpha. Elle exprime la force de l’interaction électromagnétique et est une quantité sans dimension : elle est dérivée de la charge élémentaire, c’est-à-dire la plus petite charge électrique possible, de la constante de Planck, de la vitesse de la lumière dans le vide et de la permittivité du vide, qui est liée au champ électrique.
Il n’y a toujours pas d’explication
Au sein de l’électrodynamique quantique alias QED (de l’anglais « quantum electrodynamics »), qui traite des interactions électrodynamiques entre objets à l’échelle atomique et subatomique, la constante de structure fine joue le rôle d’une constante de couplage. Il détermine la manière dont les particules de rayonnement électromagnétique, ou photons, interagissent avec les particules chargées électriquement, telles que les électrons, les muons ou les tauons.
Ce qui est remarquable à propos de la constante de Sommerfeld, c’est que même après plus de cent ans de connaissance, les scientifiques ne peuvent pas l’expliquer théoriquement. Il est nécessaire de le mesurer expérimentalement, et sur Terre nous le faisons avec une grande précision. Actuellement, sa valeur exprimée en fraction de 1/137,035999084 est acceptée, avec un petit degré d’incertitude.
Sur Terre et dans l’espace lointain
Cette constante peut être mesurée non seulement sur Terre, mais aussi dans l’espace lointain grâce aux observations astrophysiques. Il peut être étudié grâce au rayonnement de galaxies lointaines, notamment des quasars. Et les recherches décrites dans certains cas indiquent que ce n’est peut-être pas si immuable.
Lorsqu’un photon frappe un atome, il n’est absorbé que si son énergie correspond à l’énergie nécessaire pour déplacer l’électron de l’atome vers un niveau d’énergie plus élevé. Cependant, les électrons qui se déplacent vers un niveau d’énergie plus élevé sont instables. Ils ont tendance à rebondir en émettant un photon dont la longueur d’onde correspond au photon initialement absorbé. La constante de structure fine détermine la manière dont les électrons interagissent avec le noyau de l’atome concerné. Et si elle devait changer, la longueur d’onde du rayonnement absorbé par les atomes devrait également changer..
Et pourtant ça change
En 1998, une équipe d’experts dirigée par un astrophysicien par John Webb de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud se sont concentrés sur la constante de Sommerfeld dans différentes galaxies et leurs efforts ont donné des résultats remarquables ce qui indique que sa valeur était légèrement plus élevée il y a 12 à 6 milliards d’années. L’augmentation n’était pas suffisamment importante pour affecter de manière significative la physique de l’univers à l’époque ; mais il suffisait que la constante donnée attire l’attention des scientifiques. Depuis, les chercheurs analysent le rayonnement d’autres îles stellaires et tentent de faire la lumière sur la question.
Douze ans plus tard, Webb et ses collègues ont publié une nouvelle étude comprenant des analyses des spectres d’absorption d’environ trois cents quasars. Cette fois, les conclusions ont été plus convaincantes qu’en 1998 et selon eux, la valeur de la constante de structure fine change encore plus que dans les estimations originales. Il semble également que la quantité décrite ne soit pas exactement la même partout dans le cosmos..
Défaut confirmé ?
Si la constante de Sommerfeld prenait réellement des valeurs différentes selon les régions de l’univers, cela aurait des conséquences dramatiques pour l’ensemble de la physique. Comme le dit le collègue astronome de Webb Michael Murphy l’Université de technologie de Swinburne contre Melbourne, c’est la même chose que la découverte antérieure selon laquelle le périhélie de l’orbite de Mercure tourne d’environ un degré tous les six ans. Les lois de Newton ne pouvaient pas l’expliquer, et la théorie de la relativité générale d’Einstein a apporté une percée, qui a offert un concept complètement nouveau de la gravité..
La confirmation du « désordre cosmique » – c’est-à-dire que la constante de structure fine ou une autre constante physique similaire varie en fonction du lieu d’observation – remettrait en question les théories de base sur le fonctionnement du cosmos, telles que le modèle standard de la physique des particules. Selon Murphy, dans un tel cas, nous devrions proposer une nouvelle théorie, qui pourrait être très différente de celles actuelles. Le scientifique est convaincu que la constante changeante de Sommerfeld servirait alors de guide pour déterminer ce que nous devrions réellement rechercher.
Exactement sur mesure
Si la constante mentionnée était significativement différente de sa valeur actuelle, l’univers serait probablement très différent. La vie telle que nous la connaissons ne serait probablement pas apparue du tout. Si la valeur de la constante était nettement inférieure, les particules chargées électriquement auraient un effet plus faible les unes sur les autres. Les liaisons covalentes qui maintiennent les molécules ensemble ne fonctionneraient pas très bien : elles se briseraient à des températures plus basses. Sans molécules, presque rien n’existerait, y compris l’eau extrêmement importante, et certainement pas de vie, inévitablement associée aux grosses molécules.
Si, au contraire, la valeur de la constante de structure fine était plus élevée, les protons se repousseraient au point que les noyaux atomiques ne tiendraient plus ensemble. Dans de telles circonstances, la fusion nucléaire ne pourrait pas avoir lieu à l’intérieur des étoiles, donc le carbone sur lequel repose la vie terrestre ne se formerait pas. Il semble que nous ayons de la chance que la constante de Sommerfeld prenne juste la bonne valeur pour faire fonctionner notre univers. Cependant, personne n’en connaît la cause. Si cette quantité varie à travers le cosmos, il serait alors logique que la vie soit apparue là où sa valeur le lui permettait.
Petit oubli
Les recherches menées par James Webb et ses collègues en 2011 et 2012 suggèrent également que la constante de structure fine pourrait varier à travers l’univers. Les scientifiques ont basé leurs observations sur les télescopes Keck à Hawaï et sur le système Very Large Telescope au Chili. Leurs résultats ont à nouveau indiqué des valeurs légèrement différentes de la quantité mentionnée il y a environ dix milliards d’années.
Cependant, entre 2013 et 2015, Murphy et d’autres experts ont rencontré des problèmes avec les spectres de rayonnement des quasars provenant de grands télescopes optiques au sol. Selon le chercheur, les spectrographes des télescopes mentionnés, utilisés pour les analyses de rayonnement, ont influencé les spectres des quasars d’une manière qui pourrait donner l’impression que la valeur de la constante de structure fine dans l’univers est en train de changer. Dans le même temps, les scientifiques ajoutent que l’oubli décrit peut ne pas expliquer tous les résultats précédents indiquant des changements dans la constante.
Depuis lors, les experts se demandent si les données issues des analyses du rayonnement des quasars montrent ou non sa transformation. Webb et ses collègues ont contesté les résultats de l’équipe de Murphy en 2017, arguant qu’ils ne pouvaient pas être appliqués à toutes les analyses du comportement de la constante de Sommerfeld dans l’univers. Cela a été suivi par une étude de Murphy et de ses collaborateurs, selon laquelle la constante donnée est réellement invariante avec une grande précision.
Un quasar de l’aube de l’espace
Un article de 2020 du groupe Webb a examiné un quasar très éloigné J1120+0641, que nous observons dans un cosmos vieux de seulement 750 millions d’années. Les experts ont utilisé trois nuages de gaz observés dans l’univers et dont l’âge atteignait environ un milliard d’années. Afin de dériver les valeurs appropriées de la constante de structure fine, ils ont appliqué un algorithme génétique à l’analyse des spectres de rayonnement des quasars, qui a éliminé les solutions physiquement irréalistes dans une série d’étapes répétées et a en même temps pris en compte les interférences de rayonnement. provenant d’autres sources. Les chercheurs sont ainsi arrivés à la conclusion que la constante de Sommerfeld reste la même tout au long de l’histoire du cosmos.
Dans le même temps, des mesures récentes d’une étude précédente de l’équipe de recherche avec une composition pratiquement identique ont été confirmées, selon lesquelles la constante de structure fine varie légèrement à travers l’univers d’une manière très étrange – dans une direction. Cela donne l’impression qu’il existe un axe dans le cosmos, que les scientifiques appellent un dipôle. Cependant, même les résultats décrits sont acceptés avec assez de réserve et il reste encore beaucoup de place pour les conjectures.
ESPRESSO propose une solution
Le débat sur la constante de structure fine pourrait être définitivement réglé grâce à l’utilisation d’un spectrographe très stable et précis. EXPRESSO ou Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations, qui travaille sur le système Very Large Telescope au Chili depuis 2016. Selon Michael Murphy c’est un outil parfait pour traiter les spectres de rayonnement des quasars, qui constituent une source d’information de base dans la recherche d’une constante donnée dans l’univers. Le scientifique lui-même fait partie de l’équipe qui travaille avec le spectrographe avancé. Apparemment, ESPRESSO ne souffre pas des maux de ses prédécesseurs et ses résultats sont plus fiables.
L’appareil collecte des données depuis plusieurs années et nous devrions bientôt recevoir des résultats détaillés. Selon Murphy, il s’agit des meilleures données qu’il ait vues depuis longtemps. Lorsqu’ESPRESSO et son équipe scientifique traiteront des milliers de mesures, la constante de Sommerfeld devrait devenir plus claire. Cependant, quelle que soit la conclusion, les recherches susmentionnées contribueront fondamentalement à notre compréhension des lois de l’univers.
2024-04-07 03:14:57
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