Les physiciens cherchent dans l'univers des preuves qu'une force fondamentale de la nature est hors d'atteinte


Seulement quatre chiffres sous-tendent les lois de la physique. C’est pourquoi les scientifiques ont cherché pendant des décennies toute anomalie dans ces soi-disant constantes fondamentales. Trouver une telle variation ébranlerait les fondements mêmes de la science moderne.

Sans oublier que cela garantirait à au moins un chercheur chanceux un voyage gratuit à Stockholm, une nouvelle médaille d'or brillante et un million de dollars.

Récemment, deux astronomes se sont tournés vers l’une des plus anciennes étoiles de l’univers pour tester la constance de l’une des superstars du monde. quatre forces fondamentales de la nature – la gravité. Au cours des milliards d’années écoulées, ils ont observé des incohérences.

Ne pas donner l'histoire complète, mais non prix Nobel sera attribué pour l'instant.

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Le G-man

Nous prenons la constante de gravitation de Newton (désignée simplement par "G") pour acquise, probablement parce que la gravité est assez prévisible. Nous appelons cela la constante gravitationnelle de Newton parce que Newton a été la première personne à en avoir vraiment besoin pour décrire ses fameuses lois du mouvement. En utilisant son calcul nouvellement inventé, il a été en mesure d'étendre son lois du mouvement expliquer le comportement de tout, des pommes tombant d'un arbre aux orbites des planètes autour du soleil. Mais rien dans ses calculs ne lui indiquait à quel point la gravité devait être forte – il fallait mesurer et insérer expérimentalement pour que les lois fonctionnent.

Et cela a été fondamentalement le cas pendant des siècles – mesurer G seul et le brancher dans les équations en cas de besoin. De nos jours, nous avons une compréhension plus sophistiquée de la gravité, grâce à La théorie de la relativité générale d'Einstein, qui décrit comment la gravité découle de la distorsion de l'espace-temps lui-même. Et l'une des pierres angulaires de la relativité est que les lois physiques doivent rester les mêmes dans tous les cadres de référence.

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Cela signifie que si un observateur dans un cadre de référence particulier – par exemple une personne se tenant à la surface de la Terre ou flottant au milieu de l'espace – mesure une force de gravité particulière (G de Newton), alors cette même valeur devrait s'appliquer également. tout au long de l'espace et du temps. Il est simplement intégré aux mathématiques et aux hypothèses de travail fondamentales de la théorie d'Einstein.

D'autre part, nous savons que la relativité générale est une théorie incomplète de la gravité. Cela ne s'applique pas au domaine quantique – par exemple, les particules de Itty-Bitty qui composent un électron ou un proton – et la recherche est en cours pour trouver une véritable théorie quantique de la gravité. L’un de ces candidats à une telle théorie est appelé théorie des cordes et théorie des cordes il n’existe pas de chiffres à ajouter.

En théorie des cordes, tout ce que nous savons de la nature, du nombre de particules et de forces à toutes leurs propriétés, en passant par la constante de gravitation, doit résulter naturellement et avec élégance de la nature. mathématiques lui-même. Si cela est vrai, alors la constante gravitationnelle de Newton n'est pas simplement un nombre aléatoire, mais plutôt un processus compliqué opérant au niveau subatomique, qui n'a pas besoin d'être constante du tout. Et ainsi dans la théorie des cordes, à mesure que l'univers grandit et change, les constantes fondamentales de la nature pourraient bien changer en même temps.

Tout cela soulève la question suivante: la constante de Newton est-elle vraiment constante? Einstein donne un ferme et clair Oui, et les théoriciens des cordes donnent une idée ferme et claire peut être.

Il est temps de faire des tests.

Einstein en procès

Au cours des dernières années, des scientifiques ont mis au point des expériences très sensibles de la force de gravité sur la Terre et dans son voisinage immédiat. Ces expériences donnent certaines des contraintes les plus strictes sur les variations de G, mais seulement au cours des dernières années. Il se pourrait que la constante de Newton varie incroyablement lentement, et nous n’avons tout simplement pas cherché assez longtemps.

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À l’autre bout du spectre, si vous observez les constantes fondamentales de la nature, vous allez commencer à bousiller la physique de l’univers primitif, qui est visible pour nous sous la forme de ce que nous appelons le fond de micro-ondes cosmique. C'est le modèle de lumière de réverbération de l'époque où l'univers n'avait que quelques centaines de milliers d'années. Des observations détaillées de cette lumière de fond imposent également des contraintes sur la constante gravitationnelle, mais ces contraintes sont beaucoup moins précises que celles trouvées lors d'essais que nous pouvons effectuer dans notre propre jardin.

Récemment, les astronomes ont concocté un test des variations de G qui constitue un bon compromis entre ces deux extrêmes, qu’ils décrivent en ligne dans le journal de préimpression. arXiv. C'est un test de précision relativement élevée. pas aussi précis que ceux basés sur la Terre mais bien meilleurs que ceux cosmiques, et il a également l'avantage de s'étendre littéralement sur des milliards d'années.

Il s'avère que nous pouvons rechercher des changements dans la constante de gravitation de Newton en observant le vacillement de l'une des plus anciennes étoiles de l'univers.

C'est dans le wiggle

Le télescope spatial Kepler est réputé pour la chasse aux exoplanètes, mais en général, il est vraiment bon pour regarder les étoiles pendant de longues périodes, à la recherche de la moindre variation. Et certaines de ces variations viennent simplement du fait que les étoiles, enfin, varient en luminosité. En fait, les étoiles palpitent et tremblent sous l'effet des ondes sonores qui s'écrasent à l'intérieur, tout comme les tremblements de terre: les deux sont constituées de matériaux (un plasma superbe et dense dans le cas du soleil) qui peuvent vibrer.

Ces tremblements et tremblements à la surface de l'étoile affectent sa luminosité et nous parlent de la structure intérieure. L'intérieur d'une étoile dépend de sa masse et de son âge. À mesure que les étoiles évoluent, la taille du noyau et la dynamique de toutes ses couches intérieures changent. ces changements affectent ce qui se passe à la surface.

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Et si vous commencez à jouer avec les constantes de la nature, comme le symbole de Newton, cela change la façon dont les étoiles évoluent au cours de leur vie. Si la constante de Newton est vraiment constante, alors la luminosité et la température des étoiles devraient augmenter lentement avec le temps, car, lorsqu'elles brûlent de l'hydrogène dans leurs noyaux, elles laissent derrière elles une masse inerte d'hélium. Cet hélium entrave le processus de fusion, réduit son efficacité, oblige les étoiles à brûler plus rapidement pour maintenir leur équilibre, devenant de plus en plus chaud et lumineux.

Si la constante de Newton diminue lentement avec le temps, ce processus d’éclaircissement et de chauffage fonctionnera sur des échelles de temps beaucoup plus rapides. Mais si la constante de Newton se comporte de manière opposée et augmente régulièrement avec le temps, les étoiles vont plonger dans la température pendant un moment puis la maintenir à une température constante tout en augmentant leur luminosité à mesure qu’elles vieillissent.

Mais ces changements ne sont vraiment apparents que sur de très longues périodes. Nous ne pouvons donc pas vraiment nous tourner vers notre propre soleil, qui date d’environ 4,5 milliards d’années, comme bon exemple. En outre, les grandes stars ne vivent pas longtemps et leurs intérieurs sont incroyablement compliqués et difficiles à modéliser.

La KIC 7970740 arrive à la rescousse, une étoile qui ne représente que les trois quarts de la masse de notre soleil qui brûle depuis au moins 11 milliards d’années. Un laboratoire parfait.

Après avoir regardé cette étoile, les astronomes ont pris des années de données de Kepler et les ont comparées avec divers modèles d’évolution de l’étoile, y compris ceux avec des variations du G. de Newton. Ils ont ensuite lié ces modèles à des observations de la sismologie – les ondulations – en surface. Sur la base de leurs observations, la constante de Newton est vraiment constante, du moins dans la mesure où ils peuvent en dire, aucun changement détecté au niveau de 2 parties sur un billion de dollars (comme connaître la distance entre Los Angeles et New York à la largeur d'une bactérie unique) au cours des 11 derniers milliards d'années.

D'où vient la constante de Newton et comment reste-t-elle aussi constante? Nous n'avons pas de réponse à cette question et, autant que nous puissions en juger, Newton n'ira nulle part de si tôt.

Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de Demandez à un astronaute et Radio spatialeet auteur de Votre place dans l'univers.

Publié à l'origine sur Science en direct.

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(Crédit image: magazine All About Space)