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Une transition de phase holographique dans l’univers primitif a-t-elle libéré des ondes gravitationnelles?

Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de Demandez à un Spaceman et Radio spatiale, et auteur de Comment mourir dans l’espace. Il a contribué cet article à 45secondes.fr’s Voix d’experts: opinions et idées.

Comme je suis sûr que vous pouvez le comprendre, nous ne savons pas grand-chose sur l’univers extrêmement précoce.

Nous soupçonnons qu’il a traversé plusieurs époques de transformation majeures – appelées transitions de phase – qui ont finalement conduit à l’univers que nous connaissons et aimons. Récemment, une équipe de physiciens a utilisé l’un des outils les plus puissants de théorie des cordes pour s’attaquer à ces changements de phase, et a révélé que nous sommes sur le point de détecter directement ces événements grâce à leur signature d’onde gravitationnelle.

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Une nouvelle phase

Il y a quatre forces connues de la nature. Deux d’entre eux vous sont très familiers: la force de gravité et la force électromagnétique, qui combinées constituent l’essentiel de nos expériences quotidiennes. Un troisième, la forte force nucléaire, est responsable du maintien des noyaux atomiques ensemble, mais à part cela, sa portée extrêmement courte l’empêche de faire autre chose de remarquable. Le quatrième, la force nucléaire faible, est ce qui rend possible la désintégration et les réactions nucléaires, ce qui est assez pratique. Mais sinon, cette force reste là à s’occuper de ses propres affaires.

Ces quatre forces ne pourraient pas être plus différentes les unes des autres, mais l’une des idées les plus remarquables de la physique moderne est qu’elles pourraient toutes être des manifestations de la même force. Je ne peux pas simplement appeler cette force unifiée « la force », parce que le Univers « Star Wars » déjà pris ce surnom, nous devrons donc nous contenter de «force unifiée».

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Nous ne savons pas si la force unifiée existe réellement (ou a jamais existé), mais nous avons pu fusionner deux des forces de la nature ensemble. Dans nos expériences sur les collisionneurs de particules à haute énergie, les forces électromagnétiques et nucléaires faibles fusionnent pour devenir une force unifiée «électrofaible».

Et si nos collisionneurs de particules peuvent réaliser cet exploit, alors l’univers le peut sûrement. Lorsque notre cosmos était vieux de moins d’une seconde, il était incroyablement petit, chaud et dense. Petit, chaud et suffisamment dense pour que la force électrofaible se déchaîne. C’était une seule fois l’univers élargi et refroidi au-delà de ce point que les forces pourraient se séparer en leurs identités distinctes.

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Mauvaise conduite

Dans nos modèles les plus simples, cette transition était relativement douce – un croisement facile du régime électrofaible vers l’univers des forces électromagnétiques et nucléaires faibles séparées. Mais nos modèles de physique les plus simples, bien que radicalement couronnés de succès, ont leurs défauts. Nous ne sommes pas en mesure d’expliquer toute la variété de la physique dans l’univers (comme, par exemple, la masse du neutrino et la présence de matière noire) avec nos modèles simples.

Des modèles de physique plus complexes (et plus hypothétiques) prédisent que la transition de phase qui a mis fin à l’époque électrofaible était très violente. Au lieu d’une transition universelle régulière, c’était difficile et cahoteux. Des bulles de nouvelles forces se sont formées, ont grandi et ont fusionné dans une violente libération d’énergie, l’univers éclatant dans une fureur chaotique alors que la force électrofaible se séparait d’elle-même.

Mais au-delà de la capacité de dire « ouais, c’était fou », les outils de la physique moderne ne sont pas à la hauteur pour décrire cette transition de phase violente plus en détail. Nos calculs ne sont tout simplement pas assez bons pour suivre toutes les forces complexes et fortes qui ont transformé l’univers.

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Théorie des cordes à la rescousse.

Dans l’hologramme

Eh bien, pas la théorie des cordes en soi. La théorie des cordes est notre tentative de décrire une force unifiée (et d’expliquer toute la physique avec une seule théorie), mais elle n’a pas été fissurée – personne n’a été en mesure de résoudre les mathématiques de la théorie des cordes afin de faire des prédictions (ce qui est assez important pour la science).

Mais au cours des décennies où les physiciens ont travaillé pour élucider les mystères de la théorie des cordes (jeu de mots), ils sont tombés sur une technique apparemment puissante. Certains problèmes qui semblent extrêmement difficiles peuvent être transformés en questions relativement simples et faciles à résoudre, puis reconvertis pour obtenir une réponse.

Le hic: il faut réfléchir dimensions supérieures. Dans notre cas d’essayer de comprendre la méchanceté de l’univers primitif, les mathématiques difficiles (et peut-être impossible) derrière la physique de la transition de phase peuvent être transformées en un problème plus simple impliquant la relativité générale – en cinq dimensions.

Cela n’a aucun sens. Pourquoi cette astuce fonctionne-t-elle? Pourquoi les problèmes électrofaible en quatre dimensions deviennent-ils la gravité problèmes dans cinq? On ne sait pas. Mais nous savons que cette approche pourrait être assez folle pour fonctionner, et une équipe de physiciens théoriciens a utilisé cette approche pour modéliser la physique de l’univers primitif, comme indiqué dans un article récemment paru dans le journal de pré-impression arXiv.

Armés de cette nouvelle astuce «holographique» (comme l’appelle la technique, car elle consiste à traduire d’un ensemble de dimensions à un autre sans perdre d’informations), les théoriciens ont pu suivre la formation de bulles lors de la transition de phase électrofaible. Ils ont constaté que la formation de bulles et les collisions entraînaient une énorme libération de ondes gravitationnelles.

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Ces ondulations dans l’espace-temps peuvent persister jusqu’à nos jours. Mais même s’ils vous auraient déchiré comme un morceau de papier lors de leur formation, de nos jours, ils peuvent à peine pousser un atome. Nous n’avons pas encore la sensibilité pour les détecter, mais les chercheurs ont découvert que des détecteurs d’ondes gravitationnelles basés dans l’espace, comme le Antenne spatiale à interféromètre laser de l’Agence spatiale européenne mission, ou LISA, le fera.

Lorsque LISA est pleinement opérationnel (ce qui prendra au moins deux décennies), il est possible qu’il puisse détecter ces faibles ondes gravitationnelles qui subsistent lorsque les dernières des quatre forces de la nature se sont séparées. Sans la théorie holographique, nous n’aurions jamais pu faire ce genre de prédiction, et les époques les plus anciennes et les plus violentes de l’histoire du cosmos resteraient encore un mystère.

Lire la suite: « Ondes gravitationnelles d’une transition de phase holographique« 

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