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

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 ʻOumuamuaOumuamua est bien un objet naturel et pas une sonde interstellaire envoyée par des super-IAIA extraterrestres pour observer de plus près l'Humanité.

Par contre, les yeuxyeux 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 binairesbinaires 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 stochastiquestochastique d'ondes gravitationnellesondes gravitationnelles issu de la superposition aléatoire dans l'espace et dans le temps de myriades d'émissionsémissions dans le cosmoscosmos observable de ces ondes, qui étirent et compriment le tissu de l'espace-tempsespace-temps et son contenu matériel, mais aussi des signaux de sources exotiquesexotiques transitoirement au-dessus de ce bruit de fond.

Les collaborations des détecteurs Ligo aux États-Unis, VirgoVirgo 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 physiciensphysiciens 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 physiquephysique fondamentale et en cosmologiecosmologie ? Pour répondre à ces questions, voici une synthèse de quelques articles que Futura avait consacrés à ces objets théoriques ces dernières années.

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 galaxiesgalaxies et leur rassemblement sous forme d'amas et de filaments d'amas de galaxiesamas 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'UniversUnivers primordial. Elles auraient servi en quelque sorte de germesgermes de nucléationnucléation pour la matièrematière normale, provoquant son effondrementeffondrement 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 noirematière noire. Ce serait des fluctuations quantiques dans un champ scalaire primordial, assez semblable à celui du bosonboson 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 pressionpression 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'accrétionaccrétion de la matière normale qui donnera finalement par son effondrement gravitationnel les premières étoiles et les premières galaxies.

Toujours sous l'effet de la gravitationgravitation, 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 numériquessimulations 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 radioactivitéradioactivité bêtabêta, et la force nucléaire forte, responsable de l'existence des protonsprotons et des neutrons formés de quarksquarks. On peut aussi les trouver dans la théorie des supercordesthéorie 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 cristallinréseau cristallin lorsqu'un liquideliquide devient solidesolide 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 électrofaiblethéorie électrofaible ou les théories de grande unificationthéories 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'énergieénergie 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-lumièreannées-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.

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 massesmasses des particules fondamentales dans le cadre du modèle standardmodèle 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 ballonballon de football, il existe un vecteur vitesse de rotationvitesse 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 quantiquechromodynamique quantique), avec la force électrofaible, dans le cadre des théories de jaugethéories 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 tourbillonstourbillons 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 fossilefossile 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 texturestextures.

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 GevGev, 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.

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 spectrespectre 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 orbiteorbite autour du SoleilSoleil 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).

Nouvelles contraintes pour l'existence des cordes cosmiques

Deux années d'observations par Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave ObservatoryLaser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) n'ont abouti à aucune observation d'ondes gravitationnelles. Ce résultat négatif... en est tout de même un puisqu'il impose de nouvelles contraintes à l'existence d'un fond d'ondes gravitationnelles cosmologiques tel qu'il était seulement une minute après le Big Bang. Certains modèles de cordes et de supercordes cosmiques se trouvent aussi exclus.

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco, publié le 28 août 2009, modifié le 4 février 2021

Les ondes gravitationnelles sont le rayonnement le plus pénétrant de l'Univers. Rien ne peut les stopper puisqu'elles sont des oscillations et des propagations d'ondes dans le tissus même de l'espace-temps. Elles ont été prédites par Albert EinsteinEinstein en 1917 à partir des équationséquations de la relativité généralerelativité générale, mais le grand mathématicienmathématicien français Henri PoincaréHenri Poincaré pressentait avant Einstein que la gravitation devait se propager sous forme d'ondes, analogues aux ondes lumineuses, dans certains cas.

Lorsqu'une étoile explose ou s'effondre de façon asymétriqueasymétrique, un flashflash d'ondes gravitationnelles se produit. Mais c'est surtout lorsque deux étoiles à neutrons ou deux trous noirs entrent en collision qu'une grande quantité d'ondes de ce genre est émise.

De même, lorsqu'un trou noir absorbe un objet comme par exemple une naine brunenaine brune, la structure parfaitement sphérique de sa surface se déforme. Cela ne peut pas durer longtemps en raison de la mécanique de l'horizon d'un trou noir et ce dernier vibre selon ce qu'on appelle des modes quasi-normaux à la façon d'une cloche que l'on aurait cognée. En émettant des ondes gravitationnelles, le trou noir, qu'il soit en rotation ou pas, retrouve une forme sphérique pour son horizon des événementshorizon des événements.

Il existe un phénomène bien plus violent que la collision de deux astresastres compacts ou l'explosion asymétrique d'une hypernovahypernova, c'est le Big Bang lui-même !

En fonction de sa forme et de son contenu en matière, rayonnement et énergie noireénergie noire la naissance de l'univers observable a conduit là aussi le tissu de l'espace-temps à vibrer de façon plus ou moins chaotique. L'équivalent du fond diffus cosmologiquefond diffus cosmologique, constitué de photonsphotons, doit donc exister tout autour de nous aujourd'hui, mais il s'agit d'ondes gravitationnelles (on peut aussi parler de gravitons) et elles n'ont pas un spectre de corps noircorps noir.

Il pourrait exister un fond de gravitons très froids avec un spectre de corps noir datant de l’époque de Planck même. Mais c'est une question très controversée... On peut trouver des articles argumentant en faveur d'un état thermique du fond gravitationnel originaire de cette époque et d'autres, tout aussi convaincants, s'érigeant contre l'existence d'un tel fond. S'il existe, ce n'est en tout cas pas Ligo ni ses successeurs qui seront capables de l'observer et le fond gravitationnel aujourd'hui mesuré, même si il est cosmologique, ne doit pas être confondu avec ce fond dont l'existence est très spéculative.

Le fond d'ondes gravitationnelles cosmologiques stochastiques que Ligo est capable d'observer nous vient de plus loin dans le passé que le fond diffus. Ce dernier provient du passage de l'univers observable à la transparencetransparence 380.000 ans après le Big-BangBig-Bang. Nous nous trouvons donc dans une situation analogue à celle d'un astronomeastronome cherchant à observer le centre du Soleil. Dans le domaine des photons, seule la surface de l'astre est observable. Certes, les ondes sismiquesondes sismiques traversant le Soleil et faisant vibrer sa surface peuvent nous renseigner indirectement sur son état intérieur mais les données les plus directes quant à l'état du cœur proviennent des particules très pénétrantes que sont les neutrinosneutrinos. De plus, au contraire des ondes sismiques que l'on ne peut évidemment pas enregistrer directement sur Terre, les neutrinos du Soleil parviennent dans nos détecteurs.

Les collisions entre astres compacts, comme ici deux trous noirs, sont en mesure de créer un fond gravitationnel stochastique, mais il est plus proprement dit astrophysique que cosmologique et ce n'est pas sur lui que porte la publication de Nature. Crédit : Nasa-JPL

Si les cordes cosmiques existent, elles sont très tendues

Les ondes gravitationnelles que Ligo a cherchées dans une certaine bande de fréquencesbande de fréquences nous parviennent de l'époque de la nucléosynthèsenucléosynthèse, soit environ une minute seulement après le Big-Bang. De la même façon que le son d'un instrument de musique nous renseigne sur sa forme et sa composition, on peut apprendre beaucoup de choses sur l'état de l'univers à ce moment-là.

Mais ici, la situation est aussi chaotique que celle résultant du jet de plusieurs cailloux presque simultanément dans une mare, c'est-à-dire une superposition complexe d'ondes (d'où le terme stochastique, un équivalent non cosmologique existe aujourd'hui causé par les collisions d'astres compacts dans le cosmos).

En particulier, si des cordes ou des supercordes cosmiques existent, elles doivent vibrer en émettant elles aussi des ondes gravitationnelles en fonction de leurs propriétés et de leur tension. Cela devrait se manifester par une petite composante stochastique supplémentaire dans le fond cosmologique.

Dans les instruments de Ligo, qui consistent en deux longs tubes sous vide parcourus par des faisceaux laser, le passage d'ondes gravitationnelles, en faisant vibrer le tissu de l'espace, conduit à des contractions et des élongationsélongations rythmées des longueurs des deux tubes. Le dispositif fonctionne comme un gigantesque interféromètreinterféromètre et les modifications des trajets des faisceaux laser lors du passage d'une onde gravitationnelle se manifesteront par la formation de franges d'interférenceinterférence.

Les mesures sont délicates car il faut particulièrement bien isoler le dispositif du bruit sismique et plus généralement de tout bruit, ou, au moins savoir comment en retirer les effets dans les mesures pour obtenir un signal significatif. Songez que dans le cas des ondes cherchées par Ligo il faut pouvoir atteindre des modifications de longueur de l'ordre du millième du diamètre d'un noyau d'atomeatome !

Des observations ont été conduites de 2005 à 2007 et les conclusions des chercheurs de la collaboration Ligo sont aujourd'hui publiées dans Nature. Elles sont simples :

Aucun fond cosmologique d'ondes gravitationnelles stochastiques n'a été observé dans la bande de fréquences étudiée !

Comme toujours en science, un résultat négatif est un résultat. En particulier, si des filaments d'énergie créés très tôt dans le cosmos et agrandis par son expansion ultra-rapide existaient, les fameuses cordes et supercordes cosmiques dont les premières seules proviennent des théories de grande unification (GUT), leurs tensions ne peuvent pas être arbitraires. Ainsi, il semble bien que les modèles prédisant des supercordes cosmiques avec une faible tension soient exclus.

Il est remarquable de voir qu'en ce moment même, comme par exemple avec Fermi, les expérimentateurs sont en train d'explorer concrètement le territoire de la gravitation quantiquegravitation quantique expérimentale, ce qui était encore une utopie il y a vingt ans.