Cosmo-Info......n° 18

8 mai 2004

Quelles variations pour les constantes fondamentales ?

La constante de structure fine

• Elle s'écrit a = q² / h c et vaut à peu près 1/137.

avec : q² = e²/4pe ₀, e = charge de l'électron, e ₀ = permittivité du vide, h = constante réduite de Planck, c = vitesse de la lumière.

Elle est sans dimension, indépendante du système d'unités

• a intervient dans la définition des niveaux d'énergie des électrons dans les atomes, en particulier dans leurs structures fines et hyperfines dues à des effets relativistes de couplages magnétiques.

• Si a varie dans le temps, e, h et c varient également. Ainsi, l'énergie de liaison des électrons varie en fonction du temps, et donc la masse. La physique est alors à reconstruire.

• Cette variation ne peut être que réduite : si a était x 10, le carbone ne pourrait pas exister !

• La théorie des cordes pourrait appréhender de telles variations

• Il est clair que négliger ce phénomène, s'il est réel, aboutit en cosmologie à d'importantes erreurs d'interprétation d'observations lointaines.

1937: P. Dirac avait déjà envisagé une variation des constantes fondamentales

1996 : Mine d'Oklo au Gabon (T. Damour et al)

Il s'agit des restes d'un réacteur naturel d'uranium, qui a été actif pendant 200000 ans il y a 2 Ga*, alors que le taux d' ²³⁵U était supérieur au seuil critique. L'études des divers isotopes trouvés montre que :

D a / a < 10^-7 depuis 2 Ga*.

2001 : Lumière des quasars (J. Webb et al)

La lumière des quasars lointains est absorbée par le milieu intergalactique, à des distances variables de l'observateur et donc à des dates diverses du passé. On peut alors évaluer la variation dans le temps de la structure fine des raies d'absorption, en particulier pour des métaux comme Mg, Al, Si, Cr, Fe, Ni, Zn.

L'analyse de spectres en provenance de 13 quasars au Keck de 10 m à Hawaï (0.5 < z < 3.5) a montré que :

D a / a = (- 0.72 ± 0.18) 10^-5 entre 6 et 11 Ga* dans le passé.

Mais ces observations ont été effectuées à la limite des instruments, avec beaucoup de perturbations possibles des mesures.

2002 : Météorites

L'analyse de la désintégration de certains isotopes dans les météorites amène à penser que :

D a / a < 10^-7 depuis la formation du système solaire, il y a 4.6 Ga*

2003 : Fontaines atomiques

La comparaison pendant 5 ans des fréquences hyperfines des atomes de ¹³³Cs et de ⁸⁷Rb a permis à une équipe de l'Observatoire de Paris de trouver :

D a / a < 7 10^-16 par an, soit D a / a < 0.7 10^-5 en 10 Ga*

2004 : Lumière des quasars (Srianand, Petitjean et al)

L'utilisation du VLT et de son spectrographe UVES, sur 18 quasars lointains (0.4 <z < 2.3) a permis de trouver :

D a / a = ( -0.06 ± 0.06) 10^-5

La variation des constantes en 10 Ga* n'est pas évidente avec ces derniers résultats, plus précis que les précédents.

Sur la figure ci-contre, les 2 mesures noires sont celles d'Oklo et les lignes pointillées celles de J. Webb.

Par contre, suite à une autre analyse des spectres de 6 quasars, on annonce également une possible variabilité du rapport

µ= masse du proton/masse de l'électron (= 1836)

qui pourrait atteindre :

D µ / µ = (2.97 ± 0.74) 10^-5 sur 12 Ga*

Ce résultat préliminaire reste à confirmer.

En conclusion :

• La variabilité de la constante de structure fine sur très longue période n'est pas évidente et on s'orienterait plutôt vers sa fixité,

• Ceci ne donne aucun argument à la théorie des cordes,

• C'est une nouvelle illustration de l'intérêt de l'astrophysique pour aider au développement de la physique fondamentale.

* 1 Ga = 1 giga années = 1 milliard d'années

• Les constantes varient-elles ? JP. Uzan Pour la Science juillet 2002

• The fundamental constants and their variation JP. Uzan hep-ph/0205340

• Observatoire de Paris Actualités mai 2003 et avril 2004

• ESO Press release 31/3/2004

• Limits on the time variation of the electromagnetic fine-structure constant… Srianand et al astro-ph/0402177