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février 2017 | avril 2017

Tests en physique fondamentale : électromagnétisme

Nous venons de détecter les ondes gravitationnelles avec LIGO mais la compréhension de l’univers sera encore pour longtemps basée sur les ondes électromagnétiques. 96% de l’univers nous étant inconnu (matière et énergie noires), le rôle de la physique fondamentale est donc d’interroger l’électromagnétisme linéaire Maxwellien du XIXème siècle (et ses bosons, les photons), qui reste le cadre actuel de l’astrophysique.
Parmi les théories non-linéaires proposées, il y a le formalisme de Born-Infeld qui introduit la régularisation de l’électron et celui de Heisenberg-Euler avec les interactions quantiques de la lumière et les champs électromagnétiques très intenses. Dans les magnetars, le champ magnétique provoquerait un décalage, vers le bleu ou le rouge suivant la polarisation, de la fréquence de photons émis. Ce décalage atteindrait jusqu’à un dixième du décalage gravitationnel du à la masse du magnetar.

Un autre volet d’électromagnétisme non-Maxwellien concerne le photon massif proposé par de Broglie-Proca et poursuivi par Schrödinger, Born et beaucoup autres jusqu’à nos jours. La masse du photon pourrait se manifester à travers une déviation de la loi d’Ampère. Nous avons utilisé les données de Cluster sur le vent solaire et cherché la différence entre le courant du rotationnel du champ magnétique, mesuré par les magnétomètres, et le courant des ions et électrons. Une autre manifestation du photon massif pourrait être le délai d’arrivée des photons basses fréquences des pulsars. Plusieurs tests ont été publiés dans le domaine radio (GHz), optique et gamma. Par contre, le spectre pour f < 15 MHz est inconnu. Là on suppose de sources exotiques, autres que les pulsars. Pour échapper à l’atmosphère, un essaim de nano-satellite, appelé OLFAR, est en cours d’étude. Le LPC2E est membre de l’équipe scientifique mais l’implication pourrait s’élargir à cause de l’intérêt du laboratoire vers les nano-satellites (chambre plasma, pédagogie).

Les délais dus à la masse et à la dispersion par le plasma sont tous deux proportionnels à l’inverse du carré de la fréquence, mais on espère cependant pouvoir séparer les deux effets à travers l’analyse de la superdispersion (l’excès de dispersion). Une autre opportunité pour contourner la dispersion est de chercher les sources extragalactiques. Les FRBs (Fast Radio Bursts) pourraient donner cette opportunité si la galaxie hôte, et donc la distance (i.e. le redshift), étaient identifiées. Une dépendance en redshift différente entre l’effet de la densité électronique et celui de la masse du photon permettrait ce découplage. Une étape future pourrait considérer également différentes valeurs de paramètres cosmologiques. La question du photon massif pourrait également être approchée à partir de l’analyse à basse fréquence des décharges d’orage en lien avec les travaux de l’équipe « atmosphère ». Enfin, une autre opportunité serait l’utilisation du signal en bande S et K des horloges atomiques (ACES-PHARAO) sur la station spatiale.

Le Modèle Standard (MS) unifie les interactions nucléaires, électromagnétiques, faibles et forts. Bien que le MS a montré énorme succès et fournit de prévisions expérimentales, il laisse certains phénomènes inexpliqués : la gravitation de la relativité générale, l’expansion accélérée de l’univers, la matière noire, les oscillations et les masses des neutrinos. Enfin, il prévoit la masse du boson de Higgs supérieure à la masse détectée au CERN. Des théories qui vont au-delà du MS ont donc été proposées. Elles sont appelées Extension du MS (EMS), parmi lesquels la SUper SYmétrie (SUSY). Cette dernière garantie l’invariance de Lorentz (l’indépendance des expériences en orientation, position et vitesse). Les conséquences de la brisure de SUSY et de LI lors de d’univers primordial se manifesteraient aussi à nos énergies actuelles : parmi ces conséquences, le photon massif – invariant de jauge - détectable avec les moyens déjà décrits. Enfin, parmi toutes ces questions, la plus pertinente pour la cosmologie est de comprendre si l’électromagnétisme non-Maxwellien pourrait causer un décalage en fréquence à grande échelle.

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