Ondes gravitationnelles : la chasse aux cordes cosmiques est en cours avec Ligo et Virgo

Laurent Sacco

Journaliste

Publié le 05/02/2021

 [EN VIDÉO] Interview : comment mesurer les ondes gravitationnelles ?  Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps prédites par Einstein. Il serait possible de les mesurer avec des outils appropriés. L’éditeur littéraire Dunod a interviewé Pierre Binétruy, professeur au laboratoire Astroparticule et Cosmologie de l'université Paris Diderot, afin d’en savoir plus sur ces mystérieuses ondes et sur la façon dont on pourrait les détecter. 

Les collisions de trous noirs ne sont pas les seules sources possibles d'ondes gravitationnelles. Des théories au-delà de la physique du modèle standard des hautes énergies suggèrent l'existence de filaments d'énergie extraordinairement denses et pouvant être longs de centaines de millions d'années-lumière. Ligo et Virgo sont partis à la chasse aux ondes que peuvent générer ces objets exotiques et le dernier bilan à ce sujet vient d'être rendu public.

Contrairement au poisson d’avril concocté par Futura au sujet de ʻOumuamua, aucune onde gravitationnelle n'a été détectée en provenance de ce voyageur interstellaire, signalant son passage en vitesse lumière via la propulsion Alcubierre ou suite à l'ouverture d'un trou de ver. Comme Futura l'a récemment expliqué avec les articles de Sean Raymond et Franck Selsis, tout indique que ʻOumuamua est bien un objet naturel et pas une sonde interstellaire envoyée par des super-IA extraterrestres pour observer de plus près l'Humanité.

Par contre, les yeux dont elle s'est dotée pour faire de l'astronomie gravitationnelle, et qui ont révélé depuis presque cinq ans des collisions de trous noirs stellaires binaires et d'étoiles à neutrons binaires, sont toujours à l'affût d'autres événements extraordinaires. En l'occurrence, il s'agit de tenter de mettre en évidence non seulement un bruit de fond stochastique d'ondes gravitationnelles issu de la superposition aléatoire dans l'espace et dans le temps de myriades d'émissions dans le cosmos observable de ces ondes, qui étirent et compriment le tissu de l'espace-temps et son contenu matériel, mais aussi des signaux de sources exotiques transitoirement au-dessus de ce bruit de fond.

Les collaborations des détecteurs Ligo aux États-Unis, Virgo en Europe et Kagra au Japon, viennent donc de faire savoir avec deux publications, en accès libre sur arXiv, que les deux détecteurs occidentaux, bientôt rejoints par leur cousin japonais, avaient posé de nouvelles bornes sur l'existence de ce que les physiciens et les cosmologistes appellent des cordes cosmiques, ainsi que sur certaines de leurs propriétés.

Mais, c'est quoi en fait une corde cosmique, et pourquoi leur découverte ouvrirait des perspectives nouvelles en physique fondamentale et en cosmologie ? Pour répondre à ces questions, voici une synthèse de quelques articles que Futura avait consacrés à ces objets théoriques ces dernières années.

Une présentation de la « Simulation du millénaire » (Millennium Simulation) conduite à partir du modèle cosmologique standard. Elle reproduit bien la structure filamenteuse de l'Univers observable avec des superamas de galaxies formant un réseau de longs filaments qui se forme au cours de l'histoire de l'Univers. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © minutephysics

La matière noire, la clé des grandes structures galactiques ?

Les cosmologistes et les physiciens des particules se sont beaucoup penchés sur l'hypothèse des cordes cosmiques parce qu'elle semblait donner un scénario naturel et prometteur pour comprendre l'origine des galaxies et leur rassemblement sous forme d'amas et de filaments d'amas de galaxies, l'un des problèmes centraux de la cosmologie. On pense que ces structures proviennent initialement de fluctuations de densité dans le plasma de particules de l'Univers primordial. Elles auraient servi en quelque sorte de germes de nucléation pour la matière normale, provoquant son effondrement gravitationnel dans les zones les plus denses.

On a beaucoup spéculé sur la nature de ces germes et l'origine des fluctuations de densité. La plupart des cosmologistes pensent aujourd'hui que les explications les plus probables font intervenir la théorie de l'inflation et des particules de matière noire. Ce serait des fluctuations quantiques dans un champ scalaire primordial, assez semblable à celui du boson de Brout-Englert-Higgs (BEH), qui auraient été amplifiées par l'expansion exponentielle de l'espace pendant l'inflation.

Grâce à ce mécanisme, des fluctuations classiques dans la distribution de matière noire, insensibles à la pression du rayonnement lumineux dominant la matière normale et s'opposant pendant un temps à son effondrement en structures, auraient alors commencé à former les premiers agrégats de matière. Ceux-ci auraient ensuite servi d'attracteurs pour l'accrétion de la matière normale qui donnera finalement par son effondrement gravitationnel les premières étoiles et les premières galaxies.

Toujours sous l'effet de la gravitation, ces galaxies vont former les grandes structures qui ont été observées par des programmes de cartographie de la répartition des galaxies dans le cosmos observable. Le plus célèbre étant le Sloan Digital Sky Survey (SDSS).

Des simulations numériques, comme celle dont on peut voir des extraits dans la vidéo ci-dessus et utilisant de la matière noire, permettent en effet de reproduire ces grandes structures cosmiques, à savoir des amas de galaxies qui se sont rassemblés au cours du temps en formant des filaments cosmiques enlaçant des régions en forme de bulles, des vides cosmiques bien plus pauvres en étoiles et matière noire.

Le physicien Thomas Kibble. Il a non seulement proposé le mécanisme de Higgs, indépendamment de Peter Higgs, mais a aussi été à l'origine du concept de corde cosmique. © Imperial College London 

Des filaments d'énergie comme alternative aux particules de matière noire

Mais au lieu de faire intervenir initialement des régions plus ou moins denses formées de particules de matière noire, on peut supposer que la structure filamenteuse qui semble apparaître au cours des milliards d'années était en fait présente dès l'origine. Or, il se trouve que de tels objets sont des conséquences naturelles des théories proposées pour unifier la force électrofaible, responsable de l'existence de la lumière et de la radioactivité bêta, et la force nucléaire forte, responsable de l'existence des protons et des neutrons formés de quarks. On peut aussi les trouver dans la théorie des supercordes, clé, on l'espère, de l'écume de l'espace-temps. Mais ces filaments-là ne font pas intervenir le champ du boson BEH.

Il s'agissait donc de faire intervenir ce qui a été appelé des cordes cosmiques, des sortes de défauts topologiques analogues à ceux que l'on trouve dans un réseau cristallin lorsqu'un liquide devient solide en se refroidissant. C'est en particulier Thomas Kibble qui fut l'un des premiers à proposer ce scénario dans les années 1970.

Ces cordes seraient des zones dans l'espace où des champs de Brout-Englert-Higgs, que l'on fait intervenir dans la théorie électrofaible ou les théories de grande unification (GUT), seraient restés dans leur état primitif. Cela se traduirait par la présence de filaments dont l'épaisseur est celle d'un proton mais où la densité d'énergie associée à ces champs serait encore extrêmement élevée.

Quelques kilomètres de ces bouts de ficelles cosmiques, qui ne doivent pas être confondues avec celles de la théorie des supercordes, pèseraient tout de même aussi lourd que la Terre.

Ces cordes formeraient des boucles et des filaments pouvant s'étendre sur des centaines de millions d'années-lumière. A priori, ce sont de bons candidats pour amorcer l'effondrement de la matière normale et former les filaments d'amas de galaxies que l'on observe aujourd'hui.

Une simulation de la formation et de l'évolution de cordes cosmiques à partir d'un modèle du champ de Brout-Englert-Higgs. Notez les structures que l'on qualifie de cusps, kinks et de collisions kink-kink en anglais, ce qui peut se traduire par des cuspides, des plis et des collisions pli-pli (voir les explications ci-dessous). © Cosmic Defects

Les défauts topologiques et le champ de Brout-Englert-Higgs

Regardons de plus près le champ de Brout-Englert-Higgs et ses variantes.

Pour décrire les masses des particules fondamentales dans le cadre du modèle standard de la physique des particules, il a fallu introduire une particule supplémentaire : le boson de Brout-Englert-Higgs.

L'état de celui-ci peut aussi se décrire par une sorte de vecteur à deux dimensions, Φ, dans un espace interne. Pour chaque point de l'espace externe ordinaire, il existe une orientation et une longueur possibles pour ce vecteur interne. Tout comme pour chaque point de l'espace où peut se trouver un ballon de football, il existe un vecteur vitesse de rotation qui fixe un axe de rotation et une vitesse.

Le champ de Brout-Englert-Higgs est en fait un champ décrit avec des nombres complexes, avec une partie réelle et une partie imaginaire dans le plan complexe. On peut toutefois le représenter par un vecteur dans un plan. En chaque point de l'espace ordinaire, il peut exister une orientation particulière du champ BEH. À droite du schéma, on voit une configuration à l'origine d'une corde cosmique. © DAMTP 

Il se trouve que ce champ de Brout-Englert-Higgs produit une densité d'énergie dans le vide V(Φ) qui n'est pas nulle quand le champ l'est, et qui s'annule lorsque le champ prend une valeur.

C'est ce qui a dû se produire en tout point de l'espace dans l'Univers très primitif, quand la température a chuté. Toutefois, comme on le voit sur le potentiel en forme de sombrero du champ de Brout-Englert-Higgs dans la figure précédente, la valeur d'équilibre que celui-ci a atteint, un peu comme une boule chutant d'une colline pour se stabiliser dans une vallée, peut être caractérisée par différentes directions dans le plan de l'espace interne abstrait du champ de Brout-Englert-Higgs.

Lorsqu'on cherche à unifier la force nucléaire forte, décrite par la QCD (chromodynamique quantique), avec la force électrofaible, dans le cadre des théories de jauge de Grande unification (Grand Unified Theories ou GUT, en anglais), on fait intervenir un champ BEH décrit par plus de deux composantes internes, mais les résultats restent les mêmes.

Basiquement, lorsque l'Univers s'est refroidi dans le cadre de ces théories, et que la force nucléaire s'est séparée de la force électrofaible, il n'y avait pas de raisons pour que les vecteurs internes du champ de Brout-Englert-Higgs soient tous figés dans une même direction.

Lorsque l'orientation interne des champs de Brout-Englert-Higgs forme ces hérissons dans l'espace le long d'une courbe, il se crée une zone où le champ de Higgs est nul mais où l'énergie du vide est importante. Le filament d'énergie ultra dense obtenu est un exemple de défaut topologique appelé une « corde cosmique ». Celle-ci est relativement stable et peut s'étendre sur des millions d'années-lumière. © Alejandro Gangui  

On peut se les représenter comme un champ de vecteurs vitesse sur un plan définissant des structures particulières, comme des tourbillons par exemple. Les formes de champs possibles peuvent se classifier avec les méthodes mathématiques de la topologie. Un peu comme il est possible de classifier les types de réseaux cristallins possibles avec la théorie des groupes.

Toutefois, depuis les observations du rayonnement fossile avec le satellite Cobe, les modèles basés sur des cordes cosmiques sont considérés en général comme non viables. Les observations ne sont pas en accord avec ceux-ci ou, plus précisément, elles ne permettent pas d'expliquer majoritairement l'apparition des grandes structures de l'Univers à partir de zones de surdensité créées par des cordes cosmiques, ou en liaison avec les textures.

Mais cela ne veut pas dire qu'il n'en existe pas ! Simplement leur rôle ne peut être que très minoritaire.

Si l'on pouvait en détecter, ce serait une véritable révolution car la physique des GUT se manifestant à des énergies très élevées, de l'ordre de 1015 Gev, il est quasiment impossible de la tester directement sur Terre avec des accélérateurs de particules, par exemple.

Donc, même si nous savons que les cordes cosmiques ne sont pas LA solution à l'énigme de l'apparition des galaxies et des grandes structures cosmiques, leur détection aurait un impact à plusieurs niveaux en physique fondamentale et en cosmologie. Or, outre leur trace indirecte dans le rayonnement fossile, ces cordes peuvent émettre des ondes gravitationnelles que pourraient détecter Ligo, Virgo et leurs cousins à venir.

Une présentation technique des cordes cosmiques développant les explications données précédemment. Ces cordes pourraient produire des trous noirs et des ondes gravitationnelles. On peut classifier des structures particulièrement sources d'ondes gravitationnelles que l'on appelle en français des cuspides, des plis et des collisions pli-pli et en anglais des cusps, kinks et de collisions kink-kink. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Lisa Mission

Des contraintes sur le seuil d'énergie de l'unification des forces nucléaires

Revenons maintenant aux résultats des articles des collaborations Ligo, Virgo et Kagra, fruits de la chasse conjointe aux signaux des cordes cosmiques dans les données collectées au cours de la troisième campagne d'observation des détecteurs Ligo et Virgo.

On sait, grâce aux simulations numériques de l'évolution des cordes cosmiques dans des modèles de cosmologie relativiste réalistes, que les cordes cosmiques peuvent former des boucles fermées à la suite de leurs interactions. Tout comme il se produit des oscillations et des propagations d'ondes sur des cordes vibrantes classiques, ces boucles sont elles aussi dynamiques. Comme elles sont extrêmement denses et fantastiquement longues, elles vont émettre des ondes gravitationnelles.

On peut montrer que ces émissions sont les plus puissantes pour les cordes en boucle en raison de structures géométriques que peuvent produire les ondes de déformation des cordes et que l'on appelle en français des cuspides, des plis et des collisions pli-pli et en anglais des cusps, kinks et de collisions kink-kink. Ce sont les bouffées d'ondes gravitationnelles générées par ces structures et qui possèdent un spectre bien particulier relié aux propriétés des cordes comme leur tension, laquelle se déduit de l'échelle d'énergie associée à leur formation dans une théorie donnée, que ce soit une GUT ou la théorie des supercordes.

Toujours aucun signal de ces cordes n'a encore émergé dans les données mais une nouvelle borne sur la tension des cordes, et donc sur la théorie au-delà du modèle standard qui pourrait impliquer leur genèse au moment du Big Bang, a été obtenue. Mais nous n'en sommes encore qu'au début de l'astronomie gravitationnelle. Lorsque le détecteur spatial eLisa sera en orbite autour du Soleil à l'horizon des années 2030, nous disposerons d'un instrument considérablement plus sensible pour révéler les cordes cosmiques, à moins que l'on ne fasse leur découverte avant, par exemple via la collaboration NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitationnal Waves).

Source: https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/ondes-gravitationnelles-ondes-gravitationnelles-chasse-cordes-cosmiques-cours-ligo-virgo-20250/?utm_content=buffer8da24&utm_medium=social&utm_source=facebook.com&utm_campaign=futura&fbclid=IwAR0ecJPOnZO_IEVN-DI2a9fbb1UozxWDghYm4_mB5iDC-zIGbYePs2UvJU0