Existe-t-il une cinquième force dans l'univers ? L'étude entièrement italienne qui pourrait révolutionner la physique

Des fossiles stellaires les plus extrêmes proviennent des signaux qui pourraient révolutionner la physique et révéler l'existence d'une cinquième force dans l'univers.

Il existe un coin de l’univers où la matière est tellement comprimée qu’elle défie toute intuition humaine. C’est là, parmi les restes d’étoiles qui ont explosé il y a des milliards d’années, que la physique pourrait faire son prochain bond en avant. Une nouvelle étude internationale, dirigée par l'Italie et publiée le Lettres d'examen physiquesuggère que l'observation du refroidissement des étoiles à neutrons pourrait nous aider à comprendre s'il existe réellement une cinquième force dans l'univers, au-delà de celles que nous connaissons déjà.

Le département de physique de l'université de Bari a également participé à la recherche. L’idée de base est simple, du moins en paroles : si une force encore inconnue agit dans l’univers, même infime, elle devrait laisser une trace mesurable. Et le refroidissement des étoiles à neutrons est l’un des rares processus cosmiques suffisamment sensibles pour le remarquer.

Étoiles à neutrons et refroidissement

Les étoiles à neutrons naissent de la mort violente d’étoiles bien plus grosses que le Soleil. Après l’explosion d’une supernova, il ne reste qu’un tout petit objet à l’échelle astronomique, mais incroyablement dense : une cuillère à café de sa matière pèserait des milliards de tonnes. Dans ces conditions extrêmes, les lois de la physique sont poussées dans leurs retranchements.

Et c’est exactement là que le refroidissement entre en jeu. Au fil du temps, une étoile à neutrons perd de l’énergie et se refroidit lentement. Ce processus dépend de la manière dont les particules qu’il contient interagissent les unes avec les autres. Si de nouvelles particules, liées à une cinquième force, existaient, l’étoile perdrait de l’énergie plus rapidement que prévu.

Le groupe de recherche, auquel participent des scientifiques des universités de Bari, Padoue, Sydney et du centre DESY de Zeuthen, a simulé précisément ce scénario : que se passerait-il si une nouvelle force, médiée par des particules encore inconnues, était active à l'intérieur d'une étoile à neutrons ?

Des « Sept Magnifiques » au pulsar

Pour comprendre si ces hypothèses sont fondées, les chercheurs ont comparé les modèles théoriques avec des données astronomiques réelles. Ils ont analysé quelques étoiles à neutrons isolées, dont les célèbres « Magnificent Seven » et le pulsar PSR J0659, des objets bien étudiés car non influencés par des compagnons stellaires ou des phénomènes extérieurs.

Le résultat est tout sauf trivial. Si une cinquième force dans l’univers existait et agissait à travers des particules scalaires sur des distances infimes, inférieures à un millionième de millimètre, elle devrait sensiblement modifier la vitesse de refroidissement de ces étoiles. Et ces changements, expliquent les chercheurs, ne sont pas visibles.

Cela nous permet d'imposer des limites très sévères à l'existence d'une nouvelle force : jusqu'à un million de fois plus strictes que celles obtenues jusqu'à présent avec les expériences terrestres. Fondamentalement, en regardant le ciel, nous effectuons déjà des tests de physique fondamentale plus efficaces que de nombreux laboratoires sur Terre.

Les implications vont bien au-delà de la curiosité scientifique. Une force supplémentaire pourrait jouer un rôle dans la compréhension de la matière noire, l'une des grandes énigmes de l'astrophysique moderne, et ouvrir la voie à de nouvelles théories incluant des dimensions ou des particules supplémentaires jamais observées auparavant, comme l'explique Alessandro Lella, PhD du Département interuniversitaire de physique de l'Université et Polytechnique de Bari et l'un des auteurs de l'étude :

Il est frappant de penser qu’une force capable d’agir sur des distances inférieures à l’épaisseur d’un cheveu puisse influencer l’évolution de certains des objets les plus extrêmes de l’univers. Les observations astronomiques, dans ce cas, s’avèrent être l’outil le plus efficace pour intercepter ces signaux. »

Dans le même esprit, Alessandro Mirizzi, coordinateur du groupe Bari :

L’astrophysique d’aujourd’hui n’est pas seulement un complément aux expériences de laboratoire. Dans de nombreux cas, il parvient à aller plus loin, testant les théories fondamentales avec une précision surprenante.

Source : Lettres d'examen physique