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Posté par Adrien le Vendredi 02/12/2016 à 00:00
Premiers signes de l'étrange propriété quantique du vide ?
L'analyse, au moyen du Very Large Telescope de l'ESO, de la lumière émise par une étoile à neutrons caractérisée par une extrême densité et un puissant champ magnétique, a peut-être conduit une équipe d'astronomes à mettre en évidence les toutes premières preuves de l'existence d'un étrange effet quantique, envisagée au cours des années 1930. La polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le...) de la lumière observée suggère que l'espace vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) situé en périphérie de l'étoile à neutrons est l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut...) d'un effet quantique baptisé biréfringence du vide.


Une équipe pilotée par Roberto Mignani de l'INAF Milan (Milan (en italien Milano, du latin Mediolanum, en lombard Milàn) se situe dans le nord de l'Italie. Capitale de la région de Lombardie, au centre de la plaine du Pô, la ville...) (Italie) et de l'Université de Zielona Gora (Pologne) a utilisé le Very Large Telescope (VLT) de l'ESO installé à l'Observatoire de Paranal au Chili pour observer l'étoile à neutrons RX J1856.5-3754 distante de quelque 400 années-lumière de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) (1).

Bien qu'elle figure parmi les étoiles à neutrons les plus proches de la Terre, RX J1856.5-3754 se caractérise par une luminosité extrêmement faible. Pour pouvoir observer cette étoile dans le domaine visible, les astronomes ont donc été contraints d'utiliser l'instrument FORS2 qui équipe le VLT, poussant le télescope à sa limite technologique.

Les étoiles à neutrons constituent les vestiges des noyaux extrêmement denses d'étoiles massives - de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la...) supérieure à 10 masses solaires - qui ont explosé en supernovae à la fin de leur vie (La vie est le nom donné :). Elles sont par ailleurs dotées de champs magnétiques extrêmes, des milliards de fois plus puissants que celui du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type...), qui transpercent leur enveloppe externe et baignent leur environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie...) proche.

Du fait de leur intensité, ces champs affectent les propriétés de l'espace vide situé en périphérie de l'étoile. En règle générale, le terme vide désigne un espace totalement vierge, que la lumière peut traverser sans subir la moindre perturbation. En électrodynamique quantique (QED) toutefois, cette théorie quantique qui décrit l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose...) entre particules de lumière et corpuscules chargés tels les électrons, l'espace est rempli de particules virtuelles qui apparaissent et disparaissent à chaque instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.). Les champs magnétiques très intenses sont susceptibles de modifier cet espace, et donc de modifier la polarisation de la lumière qui le traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et...).

Mignani de préciser: "Selon la QED (CQFD (ou c.q.f.d.[1]) est l'abréviation de « ce qu'il fallait démontrer », ponctuant, comme un repère visuel, la fin des...), un vide fortement magnétisé se comporte à l'image d'un prisme vis à vis de la propagation de la lumière, et produit un effet baptisé biréfringence du vide."

La QED a donné lieu à la formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits homogènes, stables et possédant des propriétés spécifiques, en mélangeant...) de nombreuses hypothèses qui se sont avérées exactes. Toutefois, le concept de biréfringence du vide n'a pour l'instant pas trouvé le moindre écho expérimental. Les expériences de laboratoire menées ces 80 dernières années - depuis sa formulation au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des...) d'un article co-signé par Werner Heisenberg (auteur du célèbre principe d'incertitude) et Hans Heinrich Euler - n'ont effectivement pas permis de le mettre en évidence.

"Cet effet ne se manifeste qu'en présence de champs magnétiques extrêmement puissants, tels ceux qui règnent en périphérie d'étoiles à neutrons. Ce qui témoigne, là encore, des formidables laboratoires d'étude des lois fondamentales de la nature que constituent les étoiles à neutrons" précise Roberto Turolla (Université de Padoue, Italie).

Après avoir effectué l'analyse minutieuse des données du VLT, Mignani et son équipe ont détecté un effet de polarisation linéaire - d'environ 16%, ce qui est significatif - qu'ils ont interprété comme la résultante directe de la biréfringence du vide qui se produit au sein de l'espace vide situé en périphérie de RX J1856.5-3754 (2).

Vincenzo Testa (INAF Rome, Italie) d'ajouter: "Il s'agit de l'objet le plus faiblement lumineux dont la polarisation du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) qu'il émet a jamais été mesurée. Cette mesure a requis l'utilisation de l'un des télescopes les plus grands et les plus performants au monde (Le mot monde peut désigner :), le VLT, ainsi que l'emploi de techniques d'analyses de données très précises, capables d'amplifier le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes...) en provenance d'une étoile si peu brillante."

"Nos modèles ne peuvent rendre compte de la polarisation linéaire élevée que nous avons mesurée au moyen du VLT, qu'à la condition d'y inclure les effets de biréfringence du vide prédits par la QED", précise Mignani.

"Cette étude réalisée avec le VLT apporte le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) premier élément de preuve observationnelle en faveur de ces types d'effets QED censés se produire au sein de champs magnétiques extrêmement puissants" ajoute Silvia Zane (UCL/MSSL, Royaume Uni).

Mignani est enthousiaste à l'idée que la prochaine génération de télescopes contribue à des avancées dans ce domaine de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques....): "Les mesures de polarisation effectuées au moyen de télescopes plus perfectionnés, tel l'E-ELT, l'European Extremely Large Telescope de l'ESO, pourraient permettre de tester les prédictions de la QED relatives aux effets de la biréfringence du vide dans la périphérie d'un plus grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'étoiles à neutrons".

"Cette mesure, effectuée pour la toute première fois en lumière visible, ouvre la voie à de semblables détections dans le domaine des rayons X", conclut Kinwah Wu (UCL/MSSL, Royaume-Uni).

Notes

(1) Cet objet fait partie intégrante d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise...) d'étoiles à neutrons baptisé Les Sept Magnifiques. Ce sont des étoiles à neutrons isolées (INS), dépourvues de tout compagnon stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties...), qui n'émettent aucun rayonnement radio (à la différence des pulsars) et ne sont pas environnées de matière issue d'une supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation brève...).

(2) D'autres processus peuvent polariser la lumière stellaire au cours de son déplacement. L'équipe a soigneusement examiné ces autres hypothèses - la polarisation résultant de la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une...) par les grains de poussière par exemple - avant de les éliminer une à une, aucune d'elles ne leur apparaissant susceptible d'avoir généré le signal observé.


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Source: ESO