La constante de structure fine est une mesure de l’électromagnétisme, l’une des quatre forces fondamentales de la nature, les autres étant la gravité, la force nucléaire faible et la force nucléaire forte. Dans un article publié dans la revue Science Advancesune équipe de chercheurs a indiqué que quatre nouvelles mesures de la lumière émise par ULAS J1120+0641, un quasar situé à environ 12,9 milliards d’années-lumière, confirment les études antérieures qui ont mesuré d’infimes variations de cette constante.
Cette impression d’artiste montre à quoi pouvait ressembler ULAS J1120+0641, un quasar très lointain alimenté par un trou noir d’une masse deux milliards de fois supérieure à celle du Soleil. Crédit image : M. Kornmesser / ESO.
“La constante de structure fine est la quantité que les physiciens utilisent comme mesure de la force électromagnétique”, a déclaré le professeur John Webb, chercheur à l’Université de New South Wales Sydney et auteur correspondant de l’article.
“C’est un nombre sans dimension qui fait intervenir la vitesse de la lumière, la constante de Planck et la charge de l’électron, et c’est un rapport entre ces éléments. Et c’est le nombre que les physiciens utilisent pour mesurer la force de la force électromagnétique.”
La force électromagnétique fait tournoyer les électrons autour d’un noyau dans chaque atome de l’Univers – sans elle, toute la matière se désagrégerait. Jusqu’à récemment, on pensait qu’il s’agissait d’une force immuable dans le temps et l’espace.
Mais au cours des deux dernières décennies, le professeur Webb et ses collègues ont remarqué des anomalies dans la constante de structure fine, la force électromagnétique mesurée dans une direction particulière de l’Univers semblant légèrement différente.
“Nous avons trouvé un indice que ce nombre de la constante de structure fine était différent dans certaines régions de l’Univers”, a déclaré le professeur Webb.
“Pas seulement en fonction du temps, mais en fait aussi en fonction de la direction dans l’Univers, ce qui est vraiment très étrange si c’est correct, mais c’est ce que nous avons trouvé.”
Dans l’étude actuelle, le professeur Webb et ses co-auteurs ont examiné le quasar extrêmement lointain ULAS J1120+0641 qui leur a permis de remonter jusqu’à l’époque où l’Univers n’avait qu’un milliard d’années, ce qui n’avait jamais été fait auparavant.
L’équipe a effectué quatre mesures de la constante fine le long de la ligne de visée de ce quasar.
Individuellement, les quatre mesures n’ont pas fourni de réponse concluante quant à l’existence ou non de changements perceptibles dans la force électromagnétique.
Cependant, lorsqu’elles ont été combinées avec de nombreuses autres mesures effectuées par d’autres scientifiques entre nous et des quasars éloignés, sans lien avec cette étude, les différences dans la constante de structure fine sont devenues évidentes.
“Et cela semble soutenir l’idée qu’il pourrait y avoir une directionalité dans l’Univers, ce qui est en effet très étrange”, a déclaré le professeur Webb.
“Donc l’Univers pourrait ne pas être isotrope dans ses lois de la physique – une qui est la même, statistiquement, dans toutes les directions. Mais en fait, il pourrait y avoir une direction ou une direction préférée dans l’Univers où les lois de la physique changent, mais pas dans la direction perpendiculaire. En d’autres termes, l’Univers a, dans un certain sens, une structure dipolaire.”
“Dans une direction particulière, nous pouvons regarder en arrière de 12 milliards d’années-lumière et mesurer l’électromagnétisme lorsque l’Univers était très jeune. En mettant toutes les données ensemble, l’électromagnétisme semble augmenter progressivement plus on regarde loin, alors que vers la direction opposée, il diminue progressivement.”
“Dans d’autres directions du cosmos, la constante de structure fine reste juste cela – constante.”
“Ces nouvelles mesures très lointaines ont poussé nos observations plus loin que ce qui avait été atteint auparavant.”
En d’autres termes, dans ce que l’on croyait être une dispersion arbitrairement aléatoire de galaxies, quasars, trous noirs, étoiles, nuages de gaz et planètes – avec la vie s’épanouissant dans au moins une minuscule niche de celle-ci – l’Univers semble soudain avoir l’équivalent d’un nord et d’un sud.
“Bien qu’il faille encore tester plus rigoureusement les idées selon lesquelles l’électromagnétisme pourrait fluctuer dans certaines zones de l’Univers pour lui donner une forme de directionnalité, si ces découvertes continuent à être confirmées, elles pourraient aider à expliquer pourquoi notre Univers est tel qu’il est, et pourquoi il y a de la vie dedans”, a déclaré le professeur Webb.
“Pendant longtemps, on aOn pense que les lois de la nature semblent parfaitement réglées pour établir les conditions nécessaires à l’épanouissement de la vie. La force de la force électromagnétique est l’une de ces quantités.”
“Si elle ne différait que de quelques pour cent de la valeur que nous mesurons sur Terre, l’évolution chimique de l’Univers serait complètement différente et la vie n’aurait peut-être jamais démarré.”
“Cela soulève une question alléchante : cette situation ‘Boucle d’or’, où des quantités physiques fondamentales comme la constante de structure fine sont ‘juste bonnes’ pour favoriser notre existence, s’applique-t-elle à l’ensemble de l’Univers ?”.
“S’il existe une directionnalité dans l’Univers et s’il s’avère que l’électromagnétisme est très légèrement différent dans certaines régions du cosmos, les concepts les plus fondamentaux qui sous-tendent une grande partie de la physique moderne devront être révisés.”
“Notre modèle standard de cosmologie est basé sur un Univers isotrope, un Univers qui est le même, statistiquement, dans toutes les directions.”
“Ce modèle standard lui-même est construit sur la théorie de la gravité d’Einstein, qui elle-même suppose explicitement la constance des lois de la nature. Si ces principes fondamentaux s’avèrent n’être que de bonnes approximations, les portes sont ouvertes à de nouvelles idées très excitantes en physique. “
“Nous pensons qu’il s’agit de la première étape d’une étude beaucoup plus vaste explorant de nombreuses directions dans l’Univers, en utilisant des données provenant de nouveaux instruments sur les plus grands télescopes du monde”, ont déclaré les chercheurs.
“De nouvelles technologies apparaissent actuellement pour fournir des données de meilleure qualité, et de nouvelles méthodes d’analyse par intelligence artificielle permettront d’automatiser les mesures et de les réaliser plus rapidement et avec une plus grande précision.”
