Une mesure record pour éclairer l’Histoire de l’Univers !

Des chercheurs de l’UCLouvain ont contribué à une avancée majeure dans la mesure de la « signature spectrale » du méthanol, une molécule présente dans l’espace. Une prouesse qui pourrait aider les astronomes à répondre à une question fascinante : les constantes fondamentales de la nature sont-elles restées identiques depuis les débuts de l’Univers ?

Les lois de la physique sont-elles immuables ? Depuis des décennies, les scientifiques tentent de déterminer si certaines constantes fondamentales de la nature ont toujours eu la même valeur au cours de l’histoire de l’Univers. Une étude publiée dans la prestigieuse revue Optica, apporte une pièce importante à ce puzzle cosmique. 

Au cœur de cette recherche se trouve une molécule bien connue : le méthanol. Présent sur Terre, il est également détecté dans de nombreux environnements interstellaires. Or, certaines des émissions radio produites par cette molécule sont particulièrement sensibles à d’éventuelles variations du rapport entre la masse du proton et celle de l’électron, deux composants des atomes. Ce rapport de masses est l’une des constantes fondamentales de la physique.

Pour pouvoir utiliser le méthanol comme « témoin » de l’évolution de l’Univers, les astronomes doivent cependant connaître avec une précision extrême sa signature spectrale mesurée en laboratoire. De la même manière que chaque personne possède une empreinte digitale unique, chaque molécule possède une signature spectrale : une façon bien à elle d'interagir avec la lumière. En observant cette « empreinte digitale », les chercheurs peuvent reconnaître et quantifier une molécule dans différents environnements. Ceci à condition d’avoir mesuré précisément cette empreinte au laboratoire au préalable. 

C’est précisément ce qui a été réalisé pour un des points (une fréquence de résonance) de l’empreinte digitale. Les scientifiques ont mesuré la fréquence d’un signal clé du méthanol à 12,2 GHz – soit environ 12,2 milliards d’oscillations par seconde – avec une incertitude de seulement 135 oscillations par seconde. Cette performance représente une amélioration d’un facteur vingt par rapport aux précédentes mesures directes.

« Nous avons considérablement amélioré la précision avec laquelle nous connaissons l’empreinte de référence du méthanol. Cela permettra aux astronomes de comparer plus précisément les signaux observés dans l’espace avec ceux mesurés sur Terre », explique Frank Cozijn, chargé de recherche FNRS au sein de l’équipe de Clément Lauzin et en collaboration avec Alexandr Bogomolov et Arthémise Altman de l’Institute of Condensed Matter and Nanosciences de l’UCLouvain.

Grâce à cette avancée, les observations réalisées dans des régions très éloignées de l’Univers pourront être interprétées avec davantage de confiance. L’objectif : détecter d’éventuelles différences qui pourraient révéler que certaines constantes fondamentales n’ont pas toujours été exactement les mêmes au cours des milliards d’années d’histoire cosmique.

Une technologie de pointe désormais à l’UCLouvain

Cette étude est le résultat d’une collaboration internationale (Amsterdam, Oslo, Paris, Louvain-la-Neuve) et de mesures réalisées à la Vrij Universiteit Amsterdam (VUA) en collaboration avec l’institut de métrologie Néerlandais (VSL). L’extrême précision des horloges atomiques a ainsi pu être transmise de Delft à Amsterdam via un réseau de fibres optiques, sans perte mesurable de précision. Cette prouesse démontre qu’il est désormais possible de partager un signal temporel d’une exactitude exceptionnelle entre des laboratoires distants, ouvrant la voie à une nouvelle génération d’expériences scientifiques nécessitant une synchronisation quasi parfaite et une suppression des bruits acoustiques efficaces.

Bien que ces mesures aient été réalisées au Pays-Bas, cette recherche est également porteuse d’avenir pour l’UCLouvain. L’installation expérimentale utilisée pour ces mesures de très haute précision est aujourd’hui hébergée à Louvain-la-Neuve.

Depuis peu, le dispositif est relié à la nouvelle infrastructure temps-fréquence belge développée par l’Observatoire royal de Belgique et mettant à disposition les signaux des horloges atomiques à la base de la réalisation de l’heure légale Belge via le réseau de fibres optiques opéré par Belnet. Cette infrastructure permettra de développer de nouvelles expériences de spectroscopie de précision et de renforcer l’expertise de l’UCLouvain et de la plateforme technologique LAS&O dans ce domaine de pointe. 

Une démonstration que des mesures réalisées avec une précision exceptionnelle dans un laboratoire peuvent contribuer à répondre à l’une des questions les plus fondamentales de la science : les lois qui gouvernent l’Univers aujourd’hui sont-elles les mêmes que celles qui régnaient il y a des milliards d’années ?