Le vide mo­di­fié par un champ ma­gné­tique

Le champ ma­gné­tique in­tense d’une étoile à neu­trons, astre très dense, change les pro­prié­tés de la lu­mière qui se pro­page dans le vide, à proxi­mi­té.

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En temps nor­mal, la lu­mière se pro­page dans le vide à vi­tesse constante. Mais une équipe d’as­tro­nomes in­ter­na­tio­nale rap­porte que, sous l’ef­fet d’un in­tense champ ma­gné­tique, le vide est mo­di­fié et la lu­mière peut s’y pro­pa­ger avec deux vi­tesses dif­fé­rentes (1). À l’aide du VLT, le très grand té­les­cope si­tué au Chi­li, les as­tro­nomes ont ob­ser­vé la lu­mière émise par une étoile à neu­trons (*) de notre Ga­laxie. Ils ont trou­vé que sa lu­mière vi­brait se­lon une di­rec­tion pri­vi­lé­giée, ce que les phy­si­ciens ap­pellent po­la­ri­sa­tion. Or, la lu­mière d’une étoile à neu­trons est non po­la­ri­sée, c’es­tà-dire que chaque onde lu­mi- neuse vibre de fa­çon aléa­toire, de sorte qu’au­cune di­rec­tion pri­vi­lé­giée n’est me­su­rable. Quelque chose a donc dû mo­di­fier la po­la­ri­sa­tion de la lu­mière entre l’ins­tant de son émission par l’étoile et ce­lui de sa dé­tec­tion sur Terre. Les as­tro­nomes ont exa­mi­né plu­sieurs hy­po­thèses, dont celle d’une in­ter­ac­tion de la lu­mière avec les pous­sières du mi­lieu in­ter­stel­laire. Mais ce­la ne suf­fit pas à ex­pli­quer leur observation. « On ne peut pas ex­pli­quer cette po­la­ri­sa­tion sans faire ap­pel à un ef­fet exo­tique ap­pe­lé bi­ré­frin­gence ma­gné­tique du vide », com­mente Car­lo Riz­zo, du la­bo­ra­toire des champs ma­gné­tiques in­tenses de Toulouse. Le terme « bi­ré­frin­gence » si­gni­fie que la lu­mière se pro­page avec deux vi­tesses dif­fé­rentes dans un mi­lieu ma­té­riel se­lon la di­rec­tion de sa po­la­ri­sa­tion. Cer­tains ma­té­riaux sont na­tu­rel­le­ment bi­ré­frin­gents, tels les cris­taux de cal­cite ; d’autres peuvent le de­ve­nir en pré­sence d’un champ ma­gné­tique. Ce qui est étrange, c’est que la théo­rie pré­voit aus­si ce der­nier ef­fet dans le vide. La théo­rie en ques­tion, l’élec­tro­dy­na­mique quan­tique, uni­fie les phé­no­mènes op­tiques, élec­triques et ma­gné­tiques. Se­lon elle, les pho­tons ne pos- sèdent pas de charge élec­trique et n’in­ter­agissent pas entre eux ni avec les champs ma­gné­tiques. Ex­cep­té dans des cas très par­ti­cu­liers, tel ce­lui de la bi­ré­frin­gence ma­gné­tique du vide. « Par un ef­fet quan­tique, le champ ma­gné­tique mo­di­fie les pro­prié­tés du mi­lieu où les pho­tons se pro­pagent, y com­pris le vide. On peut dire que le vide se com­porte alors comme un mi­lieu quel­conque », pour­suit Car­lo Riz­zo.

PO­LA­RI­SA­TION DU RAYON­NE­MENT

Il faut ce­pen­dant un champ ma­gné­tique ex­trême pour dis­tin­guer cet ef­fet. Le voi­si­nage d’une étoile à neu­trons est un choix ju­di­cieux car le champ ma­gné­tique de ces astres at­teint le mil­liard de tes­las (en com­pa­rai­son, ce­lui de la Terre ne dé­passe pas quelques di­zaines de mi­cro­tes­las). Ce champ rend le vide à proxi­mi­té de l’étoile bi­ré­frin­gent, ce qui peut conduire à une po­la­ri­sa­tion du rayon­ne­ment de l’étoile à neu­trons. C’est ce der­nier ef­fet qu’ont mis en évi­dence les as­tro­nomes avec le VLT. Pour Car­lo Riz­zo, il s’agit d’une belle as­so­cia­tion entre phy­sique et astro­phy­sique. « L’in­con­vé­nient des ob­ser­va­tions as­tro­phy­siques et que nous ne maî­tri­sons pas les condi­tions comme en la­bo­ra­toire. » Il tente donc avec son équipe de dé­tec­ter cet ef­fet sur Terre à l’aide d’ai­mants pul­sés dont l’in­ten­si­té at­teint quelques di­zaines de tes­las. Ce­la per­met­trait de com­pa­rer fi­ne­ment théo­rie et ex­pé­rience. Sylvain Guil­baud (1) R. P. Mi­gna­ni et al., MNRAS, 465, 492, 2016.

Le champ ma­gné­tique d’une étoile à neu­trons, re­pré­sen­té sur cette image d’ar­tiste par les lignes qui s’échappent de ses pôles, at­teint des millions de mil­liards de fois l’in­ten­si­té du champ ter­restre.

(*) Une étoile à neu­trons est un astre très dense com­po­sé de neu­trons main­te­nus en­semble par la force de gra­vi­ta­tion.

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