Au cœur d’un amas de galaxies situé à 200 millions d’années-lumière, les astronomes n’ont pas réussi à détecter des particules hypothétiques appelées axions.
Cette découverte impose de nouvelles contraintes sur la façon dont nous pensons que ces particules fonctionnent, mais elle a également des implications majeures pour la théorie des cordes et le développement d’une théorie du tout qui décrit le fonctionnement de l’Univers physique.
“Jusqu’à récemment, je n’avais aucune idée de ce que les astronomes spécialistes des rayons X pouvaient apporter à la théorie des cordes, mais nous pourrions jouer un rôle majeur”, a déclaré l’astrophysicien Christopher Reynolds de l’université de Cambridge, au Royaume-Uni.
Lorsqu’il s’agit de comprendre le fonctionnement de l’Univers, nous avons mis au point des cadres de travail assez solides. L’un d’eux est la relativité générale, qui décrit le fonctionnement de la physique à un niveau macro. L’autre est la mécanique quantique, qui décrit le comportement des choses au niveau atomique et subatomique.
Le gros problème est que les deux cadres ne s’entendent pas. La relativité générale ne peut être ramenée au niveau quantique, et la mécanique quantique ne peut être mise à l’échelle. De nombreuses tentatives ont été faites pour les amener à s’entendre, en développant ce que l’on appelle une théorie du tout.
L’un des candidats les plus prometteurs pour résoudre les différences entre la relativité générale et la mécanique quantique est la théorie des cordes, qui consiste à remplacer les particules ponctuelles de la physique des particules par de minuscules cordes unidimensionnelles vibrantes.
En outre, de nombreux modèles de la théorie des cordes prédisent l’existence d’axions, ces particules de masse ultra-faible dont l’hypothèse a été émise pour la première fois dans les années 1970 pour résoudre la question de savoir pourquoi les forces atomiques fortes suivent une symétrie dite de parité de charge, alors que la plupart des modèles affirment que ce n’est pas nécessaire. Il s’est avéré que la théorie des cordes prédit également un grand nombre de particules qui se comportent comme des axions, appelées particules de type axion.
L’une des propriétés des particules de type axion est qu’elles peuvent se transformer en photons lorsqu’elles traversent un champ magnétique et, inversement, les photons peuvent se transformer en particules de type axion lorsqu’ils traversent un champ magnétique. La probabilité de ce phénomène dépend d’une série de facteurs, dont la force du champ magnétique, la distance parcourue et la masse de la particule.
C’est là que Reynolds et son équipe interviennent. Ils ont utilisé l’observatoire à rayons X Chandra pour étudier le noyau actif d’une galaxie appelée NGC 1275 qui se trouve à environ 237 millions d’années-lumière, au cœur d’un amas de galaxies appelé l’amas de Persée.
Au bout de huit jours d’observations, ils n’ont pratiquement rien appris sur le trou noir. Mais ils ont alors réalisé que ces données pouvaient être utilisées pour rechercher des particules de type axion.
“La lumière des rayons X de NGC1275 doit traverser le gaz chaud de l’amas de Persée, et ce gaz est magnétisé”, explique Reynolds.
“Le champ magnétique est relativement faible (plus de 10 000 fois plus faible que le champ magnétique à la surface de la Terre), mais les photons des rayons X doivent parcourir une distance énorme à travers ce champ magnétique. Cela signifie qu’il existe de nombreuses possibilités de conversion de ces photons en particules de type axion (à condition que les particules de type axion aient une masse suffisamment faible).”
La probabilité de conversion dépendant de la longueur d’onde des photons X, les observations devraient révéler une distorsion, certaines longueurs d’onde étant converties plus efficacement que d’autres. Il a fallu à l’équipe environ un an de travail minutieux, mais au final, aucune distorsion de ce type n’a été découverte.
Cela signifie que l’équipe a pu exclure l’existence d’axions dans la gamme de masse à laquelle ses observations étaient sensibles – jusqu’à environ un millionième de milliardième de la masse d’un électron.
“Nos recherches n’excluent pas l’existence de ces particules, mais elles ne plaident certainement pas en leur faveur”, a déclaré l’astronome Helen Russell, de l’université de Nottingham, au Royaume-Uni.
“Ces contraintes creusent l’éventail des propriétés suggérées par la théorie des cordes, et peuvent aider les théoriciens des cordes à désherber leurs théories.”
Les recherches ont été publiées dans The Astrophysical Journal.