Le XX^e siècle, puis le XXI^e, ont montré qu'il existait des connexions fascinantes entre l'infiniment petit et l'infiniment grand : d'abord avec la physique atomique et nucléaire en astrophysique, puis entre la physique des particules élémentaires et la cosmologie. Plus généralement, on parle aujourd'hui d'un domaine, celui des astroparticules, et on utilise les étoiles et l'Univers comme des laboratoires naturels pour réaliser des expériences difficiles, voire impossibles à mener sur Terre, afin de tester certaines théories.

On apprend aujourd'hui avec un article publié dans Nature, mais dont une version est en accès libre sur arXiv, qu'une équipe d'astronomes, parmi lesquels se trouve Marcus Lower de la Swinburne University of Technology en Australie, pense avoir réalisé une possible première détection directe convaincante de la mythique biréfringence magnétique du vide quantique - un effet prédit par l'électrodynamique quantique depuis les années 1930 et dont on va parler plus en détail un peu plus loin dans cet article.

La découverte a été faite en étudiant le magnétar 1E 1547.0-5408 (ou plus simplement 1E1547) grâce aux observations en rayons X du satellite, à l'aide du satellite IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) de la Nasa - observations complétées par des mesures radio du radiotélescope australien Murriyang/Parkes.

Qu'est-ce qu'une étoile à neutrons ? Quelle différence entre ces étoiles et notre Soleil ? Roland Lehoucq, astrophysicien au CEA, nous explique que les étoiles à neutrons rayonnent très peu en lumière visible, contrairement à notre Soleil. Aussi, les étoiles à neutrons ont des tailles beaucoup plus petites que celle du Soleil : une étoile à neutrons a un diamètre compris entre 10 et 15 km, contre 1,4 million de km pour le Soleil. Ce sont également des objets compacts qui contiennent une quantité importante de matière dans un volume très petit. Étudier ces étoiles permet de tester à une échelle différente les théories de physique nucléaire. Une vidéo co-réalisée avec L'Esprit Sorcier. © CEA Recherche

Les magnétars, des étoiles à neutrons

Rappelons que les magnétars constituent une classe particulière d'étoiles à neutrons dotées de champs magnétiques ultrapuissants, environ 100 milliards de fois plus intenses que ceux des aimants permanents les plus puissants jamais fabriqués sur Terre.

Rappelons également que les étoiles à neutrons sont les résidus du cœur d'étoiles massives, formées généralement à la fin de leur cycle de vie lors d'explosions en supernova, et qu'elles concentrent une masse supérieure à celle du Soleil dans un volume comparable à celui d'une ville.

Avec les trous noirs, les étoiles à neutrons ont commencé à être décrites dans le cadre de la théorie de la relativité générale à la fin des années 1930, lorsque Robert Oppenheimer a posé le socle de ces concepts avec des articles écrits en collaboration avec ses étudiants de l'époque : « On Massive Neutron Cores », avec Georges Volkoff, et « On Continued Gravitational Contraction », avec Hartland Snyder.

Avant d'aller plus loin, il est nécessaire de savoir que le champ électrique de la lumière, que l'on peut représenter en un point de l'espace par une flèche, oscille parfois verticalement, selon la même direction, dans un plan perpendiculaire à l'axe de propagation d'un rayon lumineux. On parle alors de polarisation linéaire. Mais il existe d'autres états de polarisation, par exemple un état dans lequel l'extrémité de la flèche précédente décrit un cercle dans le plan, on parle alors de polarisation circulaire.

Ces états de polarisation peuvent être altérés notamment par des champs magnétiques dans les régions où la lumière se déplace. En fait, l'étude de la polarisation de la lumière, qu'elle soit sous forme d'ondes radio, visibles ou de rayons X, permet d'avoir bien des renseignements sur les astres.

Un schéma montrant les directions des champs magnétiques (flèches rouges) et électriques (flèches bleues) des rayons lumineux émis par une étoile à neutrons. Après son passage dans le champ magnétique extérieur à l'étoile, ces champs sont orientés dans une même direction, on parle de polarisation linéaire dans ce cas précis car ils restent sur des droites parallèles. © ESO, L. Calçada

Voyons maintenant ce qui se cache sous le nom ésotérique de biréfringence magnétique du vide quantique. 

Il s'agit de l'équivalent d'un phénomène découvert avec de la lumière se propageant dans un milieu matériel plongé dans un champ magnétique, l'effet Cottom-Moutton. Elle possède alors deux vitesses de propagation possibles et donc deux indices de réfraction, de sorte qu'il se produit un dédoublement de la propagation de la lumière, analogue à celui observé dans le célèbre cristal d'Islande, le spath.

On parle alors de biréfringence. 

Ajoutons pour plus de précision que la lumière qui entre dans ce matériau se divise en un rayon ordinaire et un rayon extraordinaire en sortant. Chaque rayon possède sa propre polarisation et sa propre vitesse de déplacement. Le phénomène se produit dans les milieux dits anisotropes, comme certains cristaux

Une électrodynamique non linéaire issue du vide quantique

Mais, comme on observe cette biréfringence dans le vide et qu'il s'agit d'une manifestation de la théorie quantique des champs, plus précisément de la théorie de l'électrodynamique quantique dont les bases ont été posées dans les années 1930 par Heisenberg, Pauli, Dirac et Fermi, on parle donc alors de biréfringence magnétique du vide quantique.

Il s'agit d'une conséquence de ce que l'on appelle l'électrodynamique non linéaire. Normalement, des ondes lumineuses se traversent les unes les autres sans s'affecter dans le vide. Mais si les champs électriques et magnétiques de ces ondes sont suffisamment intenses, on peut montrer - et c'est ce qu'ont fait en particulier Werner Heisenberg et son collègue Hans Heinrich Euler en 1936 - que ces champs créent des paires de particules et d'antiparticules, en l'occurrence des électrons et des positrons, à partir du vide quantique.

L’observatoire de Parkes, avec Murriyang, le radiotélescope de 64 mètres du CSIRO, au premier plan. © CSIRO

Les calculs montrent alors que les équations de Maxwell décrivant le champ électromagnétique dans le vide cessent d'être linéaires et que l'on peut, entre autres et en quelque sorte, faire entrer en collision des rayons lumineux qui vont se dévier les uns les autres comme le feraient des collisions de particules. La biréfringence dans le vide est un autre aspect de l'électrodynamique non linéaire.

Les indices de l'effet de biréfringence du vide quantique autour de 1E1547 ont d'abord été débusqués dans les observations de l'état de polarisation des ondes radio effectuées par Lower et ses collèges avec Murriyang et dans des analyses rendues possibles grâce au supercalculateur Ngarrgu Tindebeek de l'université Swinburne.

Les chercheurs ont ensuite constaté que les rayons X provenant de 1E1547, et détectés par IXPE, présentaient un degré de polarisation extrêmement élevé, la direction de cette polarisation semblant liée au champ magnétique de 1E1547, de la même manière que celle des ondes radio.

Si elle est confirmée, cette découverte permettrait de mieux comprendre comment les lois de la physique quantique se comportent dans l'un des environnements les plus extrêmes de l'Univers.