Seuls quatre chiffres sous-tendent les lois de la physique. C'est pourquoi les scientifiques recherchent depuis des décennies des écarts dans ces soi-disant constantes fondamentales. Trouver une telle variation ébranlerait les fondements mêmes de la science moderne.
Sans oublier, 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, une paire d'astronomes s'est tournée vers l'une des plus anciennes étoiles de l'univers pour tester la constance de l'une des superstars des quatre forces fondamentales de la nature - la gravité. Ils ont regardé en arrière au cours des derniers milliards d'années pour détecter toute incohérence.
Ne pas dévoiler toute l'histoire, mais aucun prix Nobel ne sera décerné pour l'instant.
Le G-man
Nous tenons pour acquis la constante gravitationnelle de Newton (désignée simplement par «G»), probablement parce que la gravité est assez prévisible. Nous l'appelons 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 pu étendre ses lois de mouvement pour 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 a dit à quel point la gravité devait être forte - qui devait être mesurée expérimentalement et intégrée pour que les lois fonctionnent.
Et c'est essentiellement ainsi depuis 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 d'Einstein de la relativité générale, qui décrit comment la gravité résulte 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.
Cela signifie que si un observateur dans un cadre de référence particulier - par exemple, quelqu'un 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 minuscules 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 pour une telle théorie s'appelle la théorie des cordes, et dans la théorie des cordes, il n'y a pas de chiffres qui doivent simplement être ajoutés.
En théorie des cordes, tout ce que nous savons de la nature, du nombre de particules et de forces à toutes leurs propriétés, y compris la constante gravitationnelle, doit provenir naturellement et élégamment des mathématiques elles-mêmes. Si cela est vrai, alors la constante gravitationnelle de Newton n'est pas seulement un nombre aléatoire - c'est une conséquence d'un processus compliqué opérant au niveau subatomique, et elle n'a pas du tout besoin d'être constante. Et donc dans la théorie des cordes, à mesure que l'univers grandit et change, les constantes fondamentales de la nature pourraient simplement changer avec lui.
Tout cela soulève la question: la constante de Newton est-elle vraiment constante? Einstein donne une image ferme et claire Oui, et les théoriciens des cordes donnent une peut être.
Il est temps de faire quelques tests.
Einstein en procès
Au cours des dernières années, les scientifiques ont mis au point des expériences très sensibles de la force de gravité sur Terre et dans nos environs proches. 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 regardé attentivement depuis assez longtemps.
À l'autre extrémité du spectre, si vous vous promenez avec les constantes fondamentales de la nature, vous allez commencer à perturber la physique du premier univers, qui nous est visible sous la forme de ce qu'on appelle le fond cosmique des micro-ondes. Il s'agit de la lumière rémanente 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 à partir des tests que nous pouvons faire dans notre propre arrière-cour.
Récemment, les astronomes ont concocté un test de variations de G qui trouve un bon compromis entre ces deux extrêmes, qu'ils décrivent en ligne dans le journal de préimpression arXiv. C'est un test de relativement haute précision; 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 gravitationnelle de Newton en observant l'oscillation d'une des plus anciennes étoiles de l'univers.
C'est dans le mouvement
Le télescope spatial Kepler est célèbre pour la chasse aux exoplanètes, mais en général, il est vraiment très 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, eh bien, varient en luminosité. En fait, les étoiles pulsent et tremblent des ondes sonores qui s'écrasent à l'intérieur d'elles, tout comme les tremblements de terre - les deux sont faits de matériaux (un plasma superhot 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 internes changent; ces changements affectent ce qui se passe à la surface.
Et si vous commencez à jouer avec les constantes de la nature, comme le G de Newton, cela change la façon dont les étoiles évoluent au cours de leur vie. Si la constante de Newton est vraiment constante, alors les étoiles devraient augmenter lentement leur luminosité et leur température au fil du temps, car lorsqu'elles brûlent de l'hydrogène dans leurs noyaux, elles laissent derrière elles une masse inerte d'hélium. Cet hélium gêne le processus de fusion, réduisant son efficacité, forçant les étoiles à brûler à un rythme plus rapide pour maintenir l'équilibre, devenant plus chaud et plus lumineux dans le processus.
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 dans le sens inverse et augmente régulièrement avec le temps, les étoiles baisseront en fait pendant un certain temps, puis maintiendront cette température fixe tout en augmentant la 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 considérer notre propre soleil - qui a environ 4,5 milliards d'années - comme un bon exemple. De plus, les grandes stars n'ont pas une longue vie, et elles ont également des intérieurs incroyablement compliqués qui sont difficiles à modéliser.
Le KIC 7970740 vient à la rescousse, une étoile à seulement 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 Kepler et les ont comparées à divers modèles de l'évolution de l'étoile, y compris ceux avec des variations du G. de Newton. Ensuite, ils ont lié ces modèles à des observations de la sismologie - les ondulations - à la surface. Sur la base de leurs observations, la constante de Newton est vraiment constante, au moins pour autant qu'ils puissent dire, sans aucun changement détecté au niveau de 2 parties sur un billion (comme connaître la distance entre Los Angeles et New York City à la largeur d'un seule bactérie) au cours des 11 derniers milliards d'années.
D'où vient la constante de Newton et comment reste-t-elle si constante? Nous n'avons pas de réponse à cette question, et pour autant que nous puissions en juger, Newton n'ira nulle part de sitôt.
- Les 18 plus grands mystères non résolus de la physique
- 11 faits fascinants sur notre galaxie de la voie lactée
- Un chiffre montre que quelque chose cloche fondamentalement avec notre univers
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.
