jeudi 27 février 2020

Mesure de la variation d'une constante fondamentale à proximité de Sgr A*


Et si les constantes fondamentales n'étaient pas constantes dans l'espace-temps ? Cette idée a été proposée depuis longtemps pour tenter d'aller au-delà de la relativité générale et des modèles standards de la cosmologie ou des particules. Une idée qui est aujourd'hui encore testée par l'observation, cette fois-ci concernant la constante de structure fine α, et à proximité du trou noir supermassif Sgr A* dans un fort champ gravitationnel. L'écart relatif par rapport à la valeur mesurée sur Terre ne dépasse pas 10-5... Une étude publiée dans Physical Review Letters.




La constante dite de structure fine, alpha (α), est une constante fondamentale de la physique quantique introduite par Arnold Sommerfeld au début des années 1920. C'est la constante de couplage de l'interaction électromagnétique, sans dimensions (α = e² / 2𝜀0hc =  7,297353 10-3). Elle définit comment les particules chargées interagissent dans un champ électromagnétique et apparaît notamment dans la description des niveaux d'énergie que peuvent prendre les électrons dans le cortège électronique des atomes.  Observer les raies d'émission ou d'absorption atomiques, leur longueur d'onde, permet de déterminer la valeur de la constante de structure fine. Si la constante α n'était pas constante dans l'espace-temps, les raies caractéristiques d'absorption de certains éléments qui sont présents dans les étoiles devraient apparaître pas exactement à la même longueur d'onde que sur Terre. C'est ce principe qu'Aurélien Hees (Observatoire de Paris) et ses collaborateurs japonais, américains et australien ont utilisé pour mesurer une éventuelle déviation de α par rapport à sa valeur constante. Ils ont cherché à mesurer des raies d'absorption connues d'éléments dans des étoiles qui se trouvent dans un champ gravitationnel de trou noir supermassif. Ils se sont donc naturellement tournés vers le groupe d'étoiles qui gravitent à proximité immédiate de Sgr A*, les étoiles du groupe S. 

Les chercheurs ont exploité trois télescopes munis de spectrographes puissants : l'instrument NIFS monté sur le télescope Gemini, l'instrument IRCS du télescope Subaru et le spectrographe NIRSPEC du télescope Keck.
Parmi les étoiles du groupe S qui gravitent à différentes distances de Sgr A*, Hees et ses collaborateurs ont sélectionné des étoiles géantes qui montrent des raies d'absorption distinctes (différents niveaux de couches électroniques), de plusieurs éléments atomiques, de manière à ce que les raies en question observées dans les spectres subissent des variations différentes pour une même variation potentielle de la constante de structure fine. En effet, le mouvement incessant des étoiles ainsi que la distorsion de l'espace-temps produisent également des décalages spectraux des raies d'émission ou d'absorption, mais ces effets de type Doppler ou redshift gravitationnel produisent des variations relatives similaires sur les longueurs d'onde. Les chercheurs ont ainsi pu séparer clairement la composante de variation de longueurs d'ondes qui serait induite par une variation de α.

Ils ont exploité les spectres des étoiles S1-5, S0-6, S0-12, S0-13 et S1-23 et 13 raies d'absorption différentes de 7 éléments (titane, calcium, fer, scandium, silicium, yttrium, sodium).
Mis ensemble, les résultats combinés sur les différentes raies et obtenus sur les cinq étoiles donnent une valeur de variation 𝛥α/α =  (1,0 ± 5,8) × 10−6 par rapport à la valeur mesurée sur Terre. Ce résultat n'a évidemment pas la précision de ce que l'on obtient avec des horloges atomiques situées autour du Soleil, qui montrent une variation inférieure de 8 ordres de grandeur. Une autre mesure astrophysique autour d'une étoile naine blanche dans un champ gravitationnel fort avait donné une valeur de variation encore inférieure d'un facteur 10, une mesure effectuée en 2013 , mais cette nouvelle mesure contraignante sur une éventuelle variation de α est la première qui est effectuée autour d'un objet compact, autour d'un trou noir, et autour d'un objet aussi massif (4,2 millions de masses solaires rappelons-le).
Comme certaines théories alternatives à la relativité générale impliquent que la constante de structure fine varie proportionnellement au potentiel gravitationnel, la valeur mesurée par Hees et ses collaborateurs permet d'en fixer une valeur limite pour le facteur de proportionnalité : 3,6 ± 12,0, grâce au fait que les 5 étoiles étudiées n'ont pas la même valeur de potentiel gravitationnel (elles ne se trouvent pas à la même distance de Sgr A*) et que leur valeur 𝛥α/α n'est pas non plus tout à fait la même. 
Les astrophysiciens espèrent maintenant pouvoir améliorer la précision de leur mesure d'une éventuelle variation de α en allant scruter des étoiles encore plus proches de Sgr A* mais moins brillantes, comme l'étoile S0-38, qui pourrait améliorer la contrainte de 𝛥α/α de 4 ordres de grandeur (jusqu'à 10−10) selon les chercheurs, en plus d'explorer un cas montrant un potentiel gravitationnel encore plus élevé.
Le centre galactique se révèle bel et bien comme un laboratoire précieux de physique fondamentale.


Source

Search for a Variation of the Fine Structure Constant around the Supermassive Black Hole in Our Galactic Center
A. Hees et al.
Phys. Rev. Lett. 124 (26 February 2020)


Illustration

Image d'artiste des étoiles gravitant autour de Sgr A* dans le centre galactique (ESA/C. Carreau).