La «  gravité des bourdons  » pourrait expliquer pourquoi l’univers se développe si rapidement

Les physiciens ont longtemps supposé que l’univers était à peu près le même dans toutes les directions, et maintenant ils ont trouvé une nouvelle façon de tester cette hypothèse: en examinant l’ombre d’un trou noir.

Si cette ombre est un peu plus petite que ne le prédisent les théories physiques existantes, cela pourrait aider à prouver une notion lointaine appelée bourdon. la gravité, qui décrit ce qui se passerait si la symétrie apparemment parfaite de l’univers n’était pas si parfaite après tout.

Si les scientifiques peuvent trouver un trou noir avec une ombre aussi sous-dimensionnée, cela ouvrirait la porte à une toute nouvelle compréhension de la gravité – et expliquerait peut-être pourquoi l’univers se développe toujours plus vite.

Mais pour comprendre comment cette idée de bourdon pourrait voler, creusons un peu la physique fondamentale.

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Regardant dans le miroir

Les physiciens adorent symétrie; après tout, cela nous aide à comprendre certains des secrets les plus profonds de l’univers. Par exemple, les physiciens ont réalisé que si vous menez une expérience sur la physique fondamentale, vous pouvez déplacer votre équipement de test ailleurs et vous obtiendrez à nouveau le même résultat (c’est-à-dire si tous les autres facteurs, comme la température et la force de gravité, reste le même).

En d’autres termes, peu importe où dans l’espace vous menez votre expérience, vous obtiendrez le même résultat. Par la logique mathématique, cela conduit directement à la loi de conservation de l’élan.

Un autre exemple: si vous exécutez votre expérience et attendez un moment avant de l’exécuter à nouveau, vous obtiendrez le même résultat (encore une fois, toutes choses étant égales par ailleurs). Cette symétrie temporelle conduit directement à la loi de conservation de l’énergie – que l’énergie ne peut jamais être créée ni détruite.

Il existe une autre symétrie importante qui forme le fondement de la physique moderne. C’est ce qu’on appelle la symétrie « Lorentz », en l’honneur de Hendrik Lorentz, le physicien qui a compris tout cela au début des années 1900. Il s’avère que vous pouvez prendre votre expérience et la tourner, et (toutes choses étant égales par ailleurs) vous obtiendrez le même résultat. Vous pouvez également booster votre expérience à une vitesse fixe et encore obtenir le même résultat.

En d’autres termes, toutes choses étant égales par ailleurs – et oui, je le répète souvent, car c’est important – si vous menez une expérience au repos total et que vous faites la même expérience à la moitié de la vitesse de la lumière, vous obtiendrez le même résultat.

C’est la symétrie que Lorentz a découverte: les lois de la physique sont les mêmes indépendamment de la position, du temps, de l’orientation et de la vitesse.

Que retire-t-on de cette symétrie fondamentale? Eh bien, pour commencer, nous obtenons toute la théorie d’Einstein sur les relativité, qui définit une vitesse constante de la lumière et explique comment l’espace et le temps sont liés pour des objets voyageant à des vitesses différentes.

Gravité de bourdon

La relativité restreinte est si essentielle à la physique qu’elle est presque une métathéorie de la physique: si vous voulez concocter votre propre idée du fonctionnement de l’univers, elle doit être compatible avec les préceptes de la relativité restreinte.

Ou pas.

Les physiciens essaient constamment de concocter de nouvelles et améliorées théories de la physique, car les anciennes, comme la relativité générale, qui décrit comment la matière déforme l’espace-temps et le modèle standard de la physique des particules, ne peuvent pas tout expliquer dans l’univers, comme ce qui se passe. au cœur d’un trou noir. Et un endroit très juteux pour rechercher une nouvelle physique est de voir si des notions chères pourraient ne pas être aussi précises dans des conditions extrêmes – des notions chères comme la symétrie de Lorentz.

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Certains modèles de gravité affirment que l’univers n’est pas exactement symétrique après tout. Ces modèles prédisent qu’il y a des ingrédients supplémentaires dans l’univers qui l’obligent à ne pas obéir exactement à la symétrie de Lorentz tout le temps. En d’autres termes, il y aurait une direction spéciale, ou privilégiée, dans le cosmos.

Ces nouveaux modèles décrivent une hypothèse appelée «gravité de bourdon». Il tire son nom de l’idée supposée que les scientifiques affirmaient autrefois que les bourdons ne devraient pas être capables de voler, car nous ne comprenions pas comment leurs ailes généraient de la portance. (Les scientifiques n’ont jamais vraiment cru cela, au fait.) Nous ne comprenons pas pleinement comment ces modèles de gravité fonctionnent et comment ils pourraient être compatibles avec l’univers que nous voyons, et pourtant, ils sont là, nous regardant en face comme options viables pour la nouvelle physique.

L’une des utilisations les plus puissantes des modèles de gravité des bourdons est d’expliquer potentiellement énergie noire – le phénomène responsable de l’expansion accélérée observée de l’univers. Il s’avère que le degré auquel notre univers viole la symétrie de Lorentz peut être lié à un effet qui génère une expansion accélérée. Et parce que nous n’avons aucune idée de ce qui crée l’énergie noire, cette possibilité semble vraiment très attrayante.

L’ombre noire

Vous avez donc une nouvelle théorie de la gravité très animée basée sur des idées révolutionnaires telles que la violation de symétrie. Où iriez-vous pour tester cette idée? Vous iriez à l’endroit où la gravité est étendue à la limite absolue: un trou noir. Dans la nouvelle étude, pas encore évaluée par les pairs et publiée en ligne en novembre 2020 dans la base de données de pré-impression arXiv, les chercheurs ont fait exactement cela, en regardant l’ombre d’un trou noir dans un univers hypothétique modélisé pour être aussi réaliste que possible.

(Rappelez-vous que première image du trou noir M87, produit par le télescope Event Horizon il y a tout juste un an? Ce vide d’une beauté envoûtante et sombre au centre de l’anneau lumineux était en fait «l’ombre» du trou noir, la région qui aspirait toute la lumière de derrière et autour d’elle.)

Pour rendre le modèle aussi réaliste que possible, l’équipe a placé un trou noir à l’arrière-plan d’un univers qui accélérait dans son expansion (exactement comme ce que nous observons) et a réglé le niveau de violation de symétrie pour correspondre au comportement de l’énergie sombre que les scientifiques mesure.

Ils ont découvert que, dans ce cas, l’ombre d’un trou noir peut apparaître jusqu’à 10% plus petite qu’elle ne le ferait dans un monde à « gravité normale », fournissant un moyen clair de tester la gravité des bourdons. Alors que l’image actuelle du trou noir M87 est trop floue pour faire la différence, des efforts sont en cours pour prendre des photos encore meilleures de plus de trous noirs, explorant ainsi certains des mystères les plus profonds de l’univers.

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.