Et si je vous disais que notre univers était inondé de centaines de sortes de particules presque invisibles et que, depuis longtemps, ces particules formaient un réseau de cordes couvrant l'univers?
Cela semble à la fois trippant et génial, mais c'est en fait une prédiction de la théorie des cordes, notre meilleure tentative (mais frustrante et incomplète) de théorie de tout. Ces petites particules bizarres, quoique hypothétiques, sont connues sous le nom d'axions, et si elles peuvent être trouvées, cela signifierait que nous vivons tous dans un vaste "axivers".
La meilleure partie de cette théorie est que ce n'est pas seulement l'hypothèse du fauteuil d'un physicien, sans possibilité de test. Ce réseau de chaînes incompréhensiblement énorme peut être détectable dans un proche avenir avec des télescopes à micro-ondes qui sont en train d'être construits.
S'il était trouvé, l'axivers nous permettrait de franchir une étape majeure dans la compréhension du puzzle de… enfin, toute la physique.
Une symphonie de cordes
OK, passons aux choses sérieuses. Tout d'abord, nous devons mieux connaître l'axion. L'axion, nommé par le physicien (et, plus tard, le prix Nobel) Frank Wilczek en 1978, tire son nom parce qu'il est supposé exister à partir d'un certain type de rupture de symétrie. Je sais, je sais - plus de jargon. Attendez. Les physiciens aiment les symétries - lorsque certains motifs apparaissent en mathématiques.
Il existe un type de symétrie, appelé symétrie CP, qui dit que la matière et l'antimatière devraient se comporter de la même manière lorsque leurs coordonnées sont inversées. Mais cette symétrie ne semble pas s'inscrire naturellement dans la théorie de la force nucléaire forte. Une solution à ce casse-tête est d'introduire une autre symétrie dans l'univers qui "corrige" ce mauvais comportement. Cependant, cette nouvelle symétrie n'apparaît qu'à des énergies extrêmement élevées. Aux basses énergies de tous les jours, cette symétrie disparaît, et pour expliquer cela, et surgit une nouvelle particule - l'axion.
Maintenant, nous devons nous tourner vers la théorie des cordes, qui est notre tentative (et a été notre principale tentative depuis une cinquantaine d'années maintenant) d'unifier toutes les forces de la nature, en particulier la gravité, dans un cadre théorique unique. Il s'est avéré être un problème particulièrement épineux à résoudre, en raison d'une variété de facteurs, dont le moindre n'est pas que, pour que la théorie des cordes fonctionne (en d'autres termes, pour que les mathématiques aient même un espoir de fonctionner), notre l'univers doit avoir plus que les trois dimensions habituelles de l'espace et une du temps; il doit y avoir des dimensions spatiales supplémentaires.
Ces dimensions spatiales ne sont bien sûr pas visibles à l'œil nu; sinon, nous aurions remarqué ce genre de chose. Les dimensions supplémentaires doivent donc être minuscules et recroquevillées sur elles-mêmes à des échelles si petites qu'elles échappent aux efforts normaux pour les repérer.
Ce qui rend cela difficile, c'est que nous ne savons pas exactement comment ces dimensions supplémentaires se recroquevillent sur elles-mêmes, et il y a quelque part entre 10 et 200 façons possibles de le faire.
Mais ce que ces arrangements dimensionnels semblent avoir en commun, c'est l'existence d'axions, qui, en théorie des cordes, sont des particules qui s'enroulent autour de certaines des dimensions recroquevillées et se coincent.
De plus, la théorie des cordes ne prédit pas un seul axion, mais potentiellement des centaines de types différents, à une variété de masses, y compris l'axion qui pourrait apparaître dans les prédictions théoriques de la force nucléaire puissante.
Cordes idiotes
Donc, nous avons beaucoup de nouveaux types de particules avec toutes sortes de masses. Génial! Les axions pourraient-ils constituer la matière noire, qui semble être responsable de donner aux galaxies la majeure partie de leur masse mais ne peut pas être détectée par des télescopes ordinaires? Peut-être; c'est une question ouverte. Mais les axions en tant que matière noire doivent faire face à des tests d'observation difficiles, alors certains chercheurs se concentrent plutôt sur l'extrémité plus légère des familles d'axions, explorant les moyens de les trouver.
Et lorsque ces chercheurs commencent à creuser dans le comportement prévu de ces axions poids plume dans le premier univers, ils trouvent quelque chose de vraiment remarquable. Dans les premiers moments de l'histoire de notre cosmos, l'univers est passé par des transitions de phase, changeant tout son caractère d'états exotiques à haute énergie à des états réguliers à basse énergie.
Au cours de l'une de ces transitions de phase (qui s'est produite lorsque l'univers avait moins d'une seconde), les axions de la théorie des cordes n'apparaissaient pas comme des particules. Au lieu de cela, ils ressemblaient à des boucles et des lignes - un réseau de cordes légères et presque invisibles sillonnant le cosmos.
Cet axivers hypothétique, rempli d'une variété de chaînes d'axions légères, n'est prédit par aucune autre théorie de la physique que la théorie des cordes. Donc, si nous déterminons que nous vivons dans un axivers, ce serait une aubaine majeure pour la théorie des cordes.
Un changement dans la lumière
Comment pouvons-nous rechercher ces cordes axion? Les modèles prédisent que les chaînes d'axions ont une masse très faible, de sorte que la lumière ne se heurtera pas à un axion et ne se pliera pas, ou que les axions ne se mélangeraient probablement pas avec d'autres particules. Il pourrait y avoir des millions de chaînes d'axions flottant à travers la Voie lactée en ce moment, et nous ne les verrions pas.
Mais l'univers est vieux et grand, et nous pouvons l'utiliser à notre avantage, surtout une fois que nous reconnaissons que l'univers est également rétro-éclairé.
Le fond de micro-ondes cosmique (CMB) est la plus ancienne lumière de l'univers, émise alors qu'il n'était qu'un bébé - environ 380 000 ans. Cette lumière a imprégné l'univers pendant tous ces milliards d'années, filtrant à travers le cosmos jusqu'à ce qu'elle touche finalement quelque chose, comme nos télescopes à micro-ondes.
Ainsi, lorsque nous regardons le CMB, nous le voyons à travers des milliards d'années-lumière d'univers. C'est comme regarder la lueur d'une lampe de poche à travers une série de toiles d'araignées: s'il y a un réseau de cordes d'axion à travers le cosmos, nous pourrions potentiellement les repérer.
Dans une étude récente, publiée dans la base de données arXiv le 5 décembre, un trio de chercheurs a calculé l'effet qu'un axivers aurait sur la lumière CMB. Ils ont découvert que, selon la façon dont un peu de lumière passe près d'une chaîne d'axions particulière, la polarisation de cette lumière pourrait changer. En effet, la lumière CMB (et toute la lumière) est constituée d'ondes de champs électriques et magnétiques, et la polarisation de la lumière nous indique comment les champs électriques sont orientés - quelque chose qui change lorsque la lumière CMB rencontre un axion. Nous pouvons mesurer la polarisation de la lumière CMB en faisant passer le signal à travers des filtres spécialisés, ce qui nous permet de détecter cet effet.
Les chercheurs ont découvert que l'effet total sur le CMB d'un univers plein de cordes a introduit un changement de polarisation d'environ 1%, ce qui est à la limite de ce que nous pouvons détecter aujourd'hui. Mais les futurs cartographes CMB, tels que le satellite Cosmic Origins Explorer, Lite (Light) pour les études de polarisation en mode B et d'inflation à partir de la détection de rayonnement de fond cosmique (LiteBIRD), et le Primordial Inflation Explorer (PIXIE), sont en cours de conception. Ces télescopes futuristes seraient capables de flairer un axivers. Et une fois que ces mappeurs seront en ligne, nous découvrirons que nous vivons dans un axivers ou excluons cette prédiction particulière de la théorie des cordes.
Quoi qu'il en soit, il y a beaucoup à démêler.
Paul M. Sutter est astrophysicien àUniversité d'État de l'Ohio, hôte deDemandez à un astronaute etRadio spatialeet auteur deVotre place dans l'univers.
