Les ondes gravitationnelles faibles peuvent provenir de fractures primordiales dans l’espace-temps
L’univers primitif a peut-être été un endroit si violent que l’espace-temps lui-même s’est fracturé comme une vitre. Ces fractures auraient libéré des flots de ondes gravitationnelleset une équipe d’astronomes a découvert que nous avions peut-être déjà détecté ces ondulations dans le tissu de l’espace-temps.
L’équipe, qui a récemment rendu compte de ses résultats dans un article soumis pour publication dans le Journal of Computational Astrophysics and publié sur arXiv.org (s’ouvre dans un nouvel onglet)prétendent qu’ils ont vu des preuves de soi-disant murs de domaine dans l’univers primitif.
Quand notre univers était incroyablement jeune, il était aussi incroyablement exotique. Le quatre forces de la nature étaient liés en une seule force unifiée. Nous ne savons pas à quoi ressemblait cette force ni comment elle fonctionnait, mais nous savons qu’à mesure que l’univers se refroidissait et s’étendait, cette force unifiée s’est fracturée en quatre forces familières que nous avons aujourd’hui. Premier venu la gravitépuis le force nucléaire forte se sont éclatés, et enfin, les forces électromagnétiques et nucléaires faibles se sont séparées.
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A chacune de ces scissions, l’univers s’est complètement remodelé. De nouvelles particules sont apparues pour remplacer celles qui ne pouvaient exister que dans des conditions extrêmes auparavant. Les champs quantiques fondamentaux de l’espace-temps qui dictent la façon dont les particules et les forces interagissent les unes avec les autres se sont reconfigurés. Nous ne savons pas à quel point ces transitions de phase se sont déroulées en douceur ou grossièrement, mais il est parfaitement possible qu’à chaque division, l’univers se soit installé dans plusieurs identités à la fois.
Cette fracturation n’est pas aussi exotique qu’il n’y paraît. Cela se produit avec toutes sortes de transitions de phase, comme l’eau qui se transforme en glace. Différentes plaques d’eau peuvent former des molécules de glace avec des orientations différentes. Quoi qu’il en soit, toute l’eau se transforme en glace, mais différents domaines peuvent avoir des arrangements moléculaires différents. Là où ces domaines rencontrent des murs ou des imperfections, une fracturation apparaîtra.
Sonder le GUT
Les physiciens s’intéressent particulièrement à la transition de phase dite GUT de notre univers. GUT est l’abréviation de « grande théorie unifiée », un modèle hypothétique de physique qui fusionne la force nucléaire forte avec l’électromagnétisme et la force nucléaire faible. Ces théories sont juste au-delà de la portée des expériences actuelles, de sorte que les physiciens et les astronomes se tournent vers les conditions de l’univers primitif pour étudier cette importante transition.
La transition de phase GUT, qui s’est produite alors que l’univers n’avait qu’une fraction de seconde, pourrait très bien avoir laissé derrière lui des murs de domaine, un réseau de frontières entre différentes configurations d’espace-temps. Ces défauts n’ont cependant pas pu durer longtemps. S’ils persistaient quelques secondes, voire quelques minutes, leurs énergies intenses auraient interrompu le processus de nucléosynthèse, qui a donné naissance à tout l’hydrogène et l’hélium primordiaux de l’univers ou déformé nos images de l’univers. fond de micro-ondes cosmique (CMB), le rayonnement résiduel de la Big Bang.
Ainsi, cet ensemble interconnecté de parois de domaine a dû se désintégrer en d’autres particules – soit des particules normales, comme électrons ou quarksou des particules plus exotiques, comme une certaine forme de matière noire. Quoi qu’il en soit, ce processus de désintégration, associé au mouvement ondulatoire des parois du domaine elles-mêmes, aurait libéré un flot d’ondes gravitationnelles qui pourraient persister dans l’univers actuel.
Arpenter le domaine
Ces ondes gravitationnelles seraient incroyablement faibles et impossibles à détecter avec les installations d’ondes gravitationnelles existantes au sol. Mais depuis plus d’une décennie, plusieurs équipes d’astronomes du monde entier ont plutôt cherché à pulsars pour cartographier les ondes gravitationnelles qui traversent l’univers.
Les pulsars sont des objets chronométriques incroyablement précis, capables de maintenir leur rythme jusqu’à moins d’un millionième de seconde. Si une onde gravitationnelle passe entre nous et un ensemble de pulsars, cependant, cela affectera subtilement la période de pulsation. En étudiant un grand nombre de pulsars pendant de longues périodes, on peut espérer trouver des signaux d’un fond moussant d’ondes gravitationnelles.
Ces réseaux de synchronisation de pulsars, comme l’expérience NANOGrav et l’European Pulsar Timing Array, ont déjà trouvé des indices d’un signal. La plupart des astronomes pensent que ce signal est dû à l’action combinée de millions de trous noirs supermassifs se sont heurtés pendant des milliards d’années.
Mais la nouvelle étude présente une image différente. L’équipe soutient que le signal pourrait également s’expliquer par la décomposition des murs de domaine dans l’univers primitif. Leurs modèles permettent aux parois du domaine de se décomposer suffisamment rapidement pour ne pas violer d’autres observations, comme le CMB, tout en fournissant un signal suffisamment fort pour expliquer les données du réseau de synchronisation des pulsars.
Parce que les signaux dans les données sont très faibles et qu’il n’est pas confirmé qu’ils proviennent d’une source particulière, il y a de la place pour ce genre de proposition radicale. L’équipe soutient que les futures mesures de synchronisation des pulsars devraient pouvoir distinguer leur modèle de parois de domaine en décomposition de l’image traditionnelle des collisions de trous noirs supermassifs. De plus, si leur modèle est précis, les parois du domaine devraient se désintégrer en particules normales ou exotiques. Quoi qu’il en soit, cela devrait être détectable avec de futures mesures CMB beaucoup plus sensibles.
Si le résultat tient, ce sera une victoire majeure pour la physique : la première fois que nous avons découvert des preuves concrètes des transitions de phase GUT et les débuts d’une nouvelle compréhension de la physique.
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