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    Les données de Chandra testent la théorie de tout

    Crédit :NASA/CXC/Univ. de Cambridge/C. Reynolds et al.

    L'une des plus grandes idées de la physique est la possibilité que toutes les forces connues, particules, et les interactions peuvent être connectées dans un cadre. La théorie des cordes est sans doute la proposition la plus connue pour une « théorie de tout » qui relierait notre compréhension de l'univers physique.

    Malgré le fait que de nombreuses versions différentes de la théorie des cordes circulent dans la communauté des physiciens depuis des décennies, il y a eu très peu de tests expérimentaux. Des astronomes utilisant l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA, cependant, ont maintenant fait un grand pas en avant dans ce domaine.

    En cherchant dans les amas de galaxies, les plus grandes structures de l'univers maintenues ensemble par la gravité, les chercheurs ont pu rechercher une particule spécifique que de nombreux modèles de théorie des cordes prédisent qu'elle devrait exister. Bien que la non-détection qui en résulte n'exclue pas complètement la théorie des cordes, cela porte un coup à certains modèles au sein de cette famille d'idées.

    "Jusqu'à récemment, je n'avais aucune idée de tout ce que les astronomes en rayons X apportent à la table en ce qui concerne la théorie des cordes, mais nous pourrions jouer un rôle majeur, " a déclaré Christopher Reynolds de l'Université de Cambridge au Royaume-Uni, qui a dirigé l'étude. « Si ces particules sont finalement détectées, cela changerait la physique pour toujours. »

    La particule que Reynolds et ses collègues recherchaient s'appelle un "axion". Ces particules non encore détectées devraient avoir des masses extraordinairement faibles. Les scientifiques ne connaissent pas la plage de masse précise, mais de nombreuses théories présentent des masses d'axions allant d'environ un millionième de la masse d'un électron à une masse nulle. Certains scientifiques pensent que les axions pourraient expliquer le mystère de la matière noire, qui représente la grande majorité de la matière dans l'univers.

    Une propriété inhabituelle de ces particules de masse ultra-faible serait qu'elles peuvent parfois se convertir en photons (c'est-à-dire, paquets de lumière) lorsqu'ils traversent des champs magnétiques. L'inverse peut également être vrai :les photons peuvent également être convertis en axions dans certaines conditions. La fréquence à laquelle ce changement se produit dépend de la facilité avec laquelle ils effectuent cette conversion, en d'autres termes, sur leur « convertibilité ».

    Certains scientifiques ont proposé l'existence d'une classe plus large de particules de masse ultra-faible avec des propriétés similaires à celles des axions. Les axions auraient une seule valeur de convertibilité à chaque masse, mais les "particules de type axion" auraient une plage de convertibilité à la même masse.

    "Bien qu'il puisse sembler difficile de rechercher de minuscules particules comme des axions dans des structures gigantesques comme des amas de galaxies, ce sont en fait d'excellents endroits à regarder, " a déclaré le co-auteur David Marsh de l'Université de Stockholm en Suède. " Les amas de galaxies contiennent des champs magnétiques sur des distances géantes, et ils contiennent aussi souvent des sources de rayons X brillantes. Ensemble, ces propriétés augmentent les chances que la conversion de particules de type axion soit détectable."

    Pour rechercher des signes de conversion par des particules de type axion, l'équipe d'astronomes a examiné pendant cinq jours des observations de Chandra de rayons X provenant de matériaux tombant vers le trou noir supermassif au centre de l'amas de galaxies de Persée. Ils ont étudié le spectre Chandra, ou la quantité d'émission de rayons X observée à différentes énergies, de cette source. La longue observation et la source lumineuse de rayons X ont donné un spectre suffisamment sensible pour avoir montré des distorsions auxquelles les scientifiques s'attendaient si des particules de type axion étaient présentes.

    L'absence de détection de telles distorsions a permis aux chercheurs d'exclure la présence de la plupart des types de particules de type axion dans la gamme de masse à laquelle leurs observations étaient sensibles, au-dessous d'environ un millionième de milliardième de la masse d'un électron.

    "Nos recherches n'excluent pas l'existence de ces particules, mais cela n'aide certainement pas leur cas, " a déclaré la co-auteur Helen Russell de l'Université de Nottingham au Royaume-Uni. " Ces contraintes creusent dans la gamme de propriétés suggérées par la théorie des cordes, et peut aider les théoriciens des cordes à désherber leurs théories."

    Le dernier résultat était environ trois à quatre fois plus sensible que la meilleure recherche précédente de particules de type axion, qui est venu des observations de Chandra du trou noir supermassif dans M87. Cette étude Persée est également environ cent fois plus puissante que les mesures actuelles qui peuvent être effectuées dans les laboratoires ici sur Terre pour la gamme de masses qu'ils ont considérée.

    Clairement, une interprétation possible de ce travail est que les particules de type axion n'existent pas. Une autre explication est que les particules ont des valeurs de convertibilité encore plus faibles que la limite de détection de cette observation, et inférieur à ce que certains physiciens des particules ont prévu. Ils pourraient également avoir des masses plus élevées que celles sondées avec les données Chandra.

    Un article décrivant ces résultats est paru le 10 février numéro 2020 du Journal d'astrophysique .


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