Les physiciens sondent le centre de la Voie lactée dans l’espoir d’identifier la 5ème force fondamentale manquante de la nature.

Notre compréhension actuelle de l’Univers indique qu’il est gouverné par quatre forces fondamentales : la gravitation, l’électromagnétique et les forces nucléaires fortes et faibles.

Mais les scientifiques supposent qu’il existe une cinquième force fondamentale, et si cela est vrai, elle pourrait non seulement combler les éléments manquants dans la théorie de la relativité générale d’Einstein mais elle nous forcerait également à repenser notre compréhension du fonctionnement réel de l’Univers.

À présent, des physiciens ont découvert comment mettre cette mystérieuse force à l’épreuve.

Les quatre forces fondamentales de la physique sont ce qui maintient le modèle standard, ce que nous utilisons pour expliquer et prédire le comportement des particules et de la matière dans l’Univers. À la plus petite extrémité de cette échelle, se trouvent les deux forces nucléaires : la force nucléaire forte, qui maintient les noyaux atomiques, et la force nucléaire faible, qui permet à certains atomes de subir une désintégration radioactive. La gravitation et la force électromagnétique sont à l’extrémité supérieure de l’échelle : une force électromagnétique est nécessaire pour maintenir nos molécules ensemble, tandis que la gravité est responsable de s’assurer que les galaxies entières et les planètes ne soient pas littéralement déchirées.

Malheureusement, un problème subsiste. À bien des égards, la gravitation est « l’intru » dans ce groupe important. D’une part, la gravité est la dernière des quatre forces fondamentales que les êtres humains n’ont pas compris comment reproduire et contrôler. La gravité ne semble pas non plus pouvoir expliquer tout ce qu’elle devrait : des études ont démontré qu’il y a plus de gravité dans notre Univers que ce qui peut être produit par toute la matière visible.

C’est là qu’entre en jeu la matière noire (ou matière sombre), qui est utilisée pour expliquer cet écart. Ce qui n’aide au final pas au problème, car même la meilleure des technologies actuelles n’as pas (encore ?) permis de la détecter de manière directe.

Grâce à notre incapacité à comprendre ce qu’est réellement cette matière noire, certains physiciens (très controversés) souhaitent totalement abandonner la gravité en tant que force fondamentale. Mais si au lieu de laisser tomber la gravité, nous découvrions plutôt une cinquième force qui relierait la gravité aux autres forces d’une manière dont nous n’avions jamais pensé auparavant ?

« La théorie d’Einstein décrit très bien la gravitation, mais il y a beaucoup de preuves montrant que la théorie a des lacunes », explique Andrea Ghez, directrice du UCLA Galactic Center Group. « La simple existence des trous noirs supermassifs nous dit que nos théories actuelles concernant le fonctionnement de l’Univers sont insuffisantes pour expliquer ce qu’est un trou noir », ajoute-t-elle.

Ghez et son équipe sont donc à la recherche de cette cinquième force hypothétique de la nature et suggèrent que le meilleur endroit où chercher serait quelque part dans l’Univers, là où l’influence de la gravité est si forte que des signes d’un autre élément seraient plus faciles à détecter.

C’est en analysant des images extrêmement nettes du cœur de la Voie lactée, prises à l’Observatoire W.M. Keck, à Hawaii, que les chercheurs peuvent suivre des orbites d’étoiles se trouvant près du trou noir supermassif situé au centre de notre galaxie. Sur la base de ces orbites, les chercheurs peuvent mesurer l’influence directe de la gravité sur les mouvements des étoiles et découvrir si quelque chose d’autre entre en jeu également. « C’est vraiment excitant. Notre travail sur l’étude des étoiles au centre de notre galaxie donne l’accès à un nouveau moyen de voir comment fonctionne la gravité. En regardant les étoiles se déplacer sur plus de 20 ans, grâce à l’utilisation des mesures très précises réalisées à partir des données de l’Observatoire Keck, nous pouvons voir et placer des contraintes sur le fonctionnement de la gravité », explique Ghez.

L’équipe est particulièrement intéressée par un événement qui devrait avoir lieu l’année prochaine, lorsqu’une étoile, appelée S0-2, se rapprochera plus que jamais du trou noir supermassif de notre galaxie et sera attirée avec une force gravitationnelle maximale. Selon l’équipe de recherche, s’il y a de quelconques écarts par rapport à ce que prédit la relativité générale, alors ce sera le meilleur moment pour les repérer. « Si la gravitation est conduite par quelque chose d’autre qu’uniquement la théorie de la relativité générale d’Einstein, nous verrons des petites variations dans les trajets orbitaux des étoiles », explique Ghez.

Il ne s’agit pas de la première fois que des physiciens sont activement à la recherche d’une cinquième force fondamentale. L’année dernière, une équipe distincte a détecté des signes de son influence dans la signature énergétique de ce qui semblait être une nouvelle particule subatomique. « Si c’est vrai, c’est révolutionnaire ! Si c’est confirmé par d’autres expériences, cette découverte d’une cinquième force changerait complètement notre compréhension de l’Univers, avec des conséquences pour l’unification des forces et de la matière noire », expliquait alors le chercheur principal de cette étude, Jonathan Feng, de l’Université de Californie.

Bien que nous ne soyons pas encore en mesure de déterminer si cette force existe réellement, la nouvelle technique utilisée par l’équipe sera la toute première à effectuer de telles recherches dans un champ gravitationnel aussi fort que celui créé par un trou noir supermassif. Quoi qu’il en soit, cette recherche offrira sans doute la possibilité d’aboutir à une meilleure compréhension de la gravité elle-même. « C’est passionnant de pouvoir le faire, car nous pouvons nous poser une question très fondamentale : comment fonctionne la gravité ? », conclut Ghez.

Sources : Physical Review Letters, PhysOrg

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