Une cinquième force dans l’univers ? Le secret pourrait se cacher au cœur des étoiles à neutrons

Vous avez déjà entendu parler des étoiles à neutrons ? Ce sont des vestiges d’étoiles incroyablement denses, composées surtout de ce qu’on appelle des nucléons, c’est-à-dire des protons et des neutrons. Imaginez un objet céleste qui, sur des millions d’années, se refroidit lentement, très lentement, en irradiant sa chaleur dans l’immensité de l’espace.

Ce processus de refroidissement, qui peut sembler anodin, est en réalité une occasion en or pour les scientifiques. Pourquoi ? Parce qu’il pourrait servir de terrain de jeu pour tester l’existence de particules encore jamais vues, comme les particules scalaires. Ces particules théoriques, qui n’auraient pas de spin, pourraient, si elles existent, interagir avec les nucléons et bouleverser ce que l’on croit savoir de l’univers. On parle carrément de violer deux lois fondamentales de la gravité… rien que ça.

Pour bien comprendre l’enjeu, il faut se rappeler que tout ce qui nous entoure, de la chaise sur laquelle vous êtes assis aux étoiles dans le ciel, est régi par quatre forces fondamentales : la gravité, l’électromagnétisme, et les forces nucléaires forte et faible. C’est tout. C’est la base de notre physique.

Alors, imaginez qu’on en découvre une cinquième. Ce serait une révolution, un véritable « changement de paradigme », comme le dit Edoardo Vitagliano, l’un des co-auteurs de l’étude. De nombreuses expériences cherchent cette fameuse cinquième force, mais c’est incroyablement difficile. Surtout quand on essaie de détecter des déviations de la gravité à une échelle entre le microscopique et le macroscopique.

C’est là que nos étoiles à neutrons entrent en scène. Vitagliano et son équipe ont compris qu’elles pourraient être des laboratoires naturels parfaits pour cette quête. Des étoiles connues, comme celles du groupe des « Sept Magnifiques » ou le pulsar PSR J0659, pourraient bien abriter des interactions entre ces fameuses particules scalaires et les nucléons. C’est ce qui donnerait naissance à la cinquième force.

« Tout comme l’interaction électromagnétique est due à l’échange de photons, la nouvelle force serait médiée par une nouvelle particule scalaire », explique Vitagliano. Cette particule pourrait être liée à l’existence de dimensions supplémentaires, ou même jouer le rôle de la matière noire. Un sacré programme, n’est-ce pas ?

Le raisonnement des chercheurs est assez simple à suivre. Ces particules scalaires seraient produites en masse au cœur des étoiles à neutrons, là où les neutrons et les protons se bousculent. Et si elles existent, elles devraient avoir un effet visible. « À cause de leur densité extrêmement élevée, l’évolution des étoiles à neutrons serait considérablement affectée par l’existence de nouvelles forces », précise Vitagliano. En gros, c’est comme un plat chaud qui refroidirait bien plus vite que prévu, parce qu’il perdrait de la chaleur par un moyen supplémentaire.

Pour vérifier cette idée, les scientifiques ont utilisé des simulations informatiques très poussées. Alessandro Lella, un autre auteur, résume : « Les simulations qui tiennent compte de l’émission de particules scalaires conduisent à des étoiles à neutrons qui seraient aujourd’hui beaucoup plus froides que ce que nos télescopes observent ». La logique est implacable : si une cinquième force existe, elle doit être suffisamment faible pour ne pas perturber ce que l’on observe.

Et alors, qu’ont-ils trouvé ? Eh bien, leurs simulations n’ont montré aucune preuve d’une perte d’énergie supplémentaire. Les étoiles à neutrons qu’ils ont étudiées semblaient refroidir tout à fait normalement. Cela ne veut pas dire que la cinquième force n’existe pas, mais ça permet de poser des limites bien plus strictes qu’auparavant sur la force des interactions entre les scalaires et les nucléons.

La conclusion est assez folle, comme le souligne Vitagliano : « Si une nouvelle force agit entre les particules à une distance inférieure à l’épaisseur d’un cheveu, les observations astronomiques sont en fait le meilleur moyen de la trouver ». En d’autres termes, grâce à ces étoiles lointaines, on sait maintenant que cette potentielle cinquième force doit être bien plus faible qu’on ne le pensait.

Ce travail est une avancée majeure. Il permet d’affiner les théories qui prédisent des violations de la gravité. Mais l’histoire est loin d’être terminée. Les chercheurs espèrent utiliser de nouvelles données astronomiques pour pousser leurs recherches encore plus loin.

Comme le dit Lella, « la physique qui régit l’intérieur des étoiles à neutrons est encore loin d’être entièrement comprise ». On n’a probablement pas encore saisi toutes les opportunités que l’étude de ces objets compacts peut nous offrir. Qui sait ? Les prochaines observations astronomiques pourraient nous réserver des surprises. Et si des phénomènes inconnus sont découverts, ils pourraient ouvrir de nouvelles voies pour comprendre les mystères les plus profonds de notre univers. On reste à l’écoute.