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

Comme vous pouvez le comprendre, nous ne savons pas grand-chose de l’univers extrêmement précoce.

Nous soupçonnons qu’il a traversé plusieurs grandes époques de transformation – 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 la 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’ondes gravitationnelles.

Une nouvelle phase
Il y a quatre forces connues de la nature. Deux d’entre elles vous sont très familières : la force de gravité et la force électromagnétique, qui se combinent et constituent l’essentiel de nos expériences quotidiennes. Une troisième, la forte force nucléaire, est responsable de la cohésion des noyaux atomiques, mais à part cela, sa portée extrêmement courte l’empêche de faire beaucoup d’autres choses dignes d’intérêt. La quatrième, la force nucléaire faible, est celle qui rend possible la désintégration et les réactions nucléaires, ce qui est assez pratique. Mais sinon, cette force reste en place et ne fait que 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 l’univers de “Star Wars” a déjà pris ce nom, donc nous devrons nous contenter de “force unifiée”.

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 de collisionneur de particules à haute énergie, les forces électromagnétiques et nucléaires faibles fusionnent ensemble pour devenir une force unifiée “électrofaible”.

Et si nos collisionneurs de particules peuvent réaliser cet exploit, alors l’univers le peut certainement. Lorsque notre cosmos avait moins d’une seconde d’âge, il était incroyablement petit, chaud et dense. Assez petit, chaud et dense pour que la force électrofaible se déchaîne. Ce n’est qu’une fois que l’univers s’est étendu et refroidi au-delà de ce point que les forces ont pu se séparer en leurs identités distinctes.

Un voyage difficile
Dans nos modèles les plus simples, cette transition était relativement douce – un passage facile du régime électrofaible à l’univers des forces électromagnétiques et nucléaires faibles séparées. Mais nos modèles de physique les plus simples, bien que radicalement réussis, 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 de neutrinos 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, elle était rugueuse et bosselée. Des bulles de nouvelles forces se sont formées, ont grandi et ont fusionné dans un violent dégagement d’énergie, l’univers ayant éclaté dans une fureur chaotique lorsque la force électrofaible s’est séparée d’elle-même.

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

La théorie des cordes à la rescousse.

Dans l’hologramme
Enfin, 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 percée – personne n’a été capable de résoudre les mathématiques de la théorie des cordes afin de faire réellement des prédictions (ce qui est assez important pour la science).

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

Le hic : il faut penser en termes plus élevés. Dans notre cas, pour essayer de comprendre la méchanceté de l’univers primitif, les mathématiques difficiles (et peut-être impossibles) de 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 électrofaibles en quatre dimensions deviennent-ils des problèmes de gravité en cinq dimensions ? Nous ne le savons 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 l’indique un article récemment publié dans la revue arXiv.

Armés de cette nouvelle astuce “holographique” (comme la technique est appelée, car elle implique de traduire d’un ensemble de dimensions à un autre sans perdre d’informations), les théoriciens ont pu suivre la formation de bulles pendant la transition de phase électrofaible. Ils ont découvert que la formation de bulles et la collision entraînent une formidable libération d’ondes gravitationnelles.

Ces ondulations dans l’espace-temps peuvent persister jusqu’à aujourd’hui. Mais même si elles vous auraient déchiré comme un morceau de papier lors de leur formation, elles peuvent aujourd’hui à peine pousser un atome. Nous n’avons pas encore la sensibilité nécessaire pour les détecter, mais les chercheurs ont découvert que les détecteurs d’ondes gravitationnelles proposés dans l’espace, comme la mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna) de l’Agence spatiale européenne, le feront.

Lorsque LISA sera pleinement opérationnelle (ce qui prendra encore une vingtaine d’années au moins), il est possible qu’elle puisse détecter ces faibles ondes gravitationnelles qui sont le résultat de la séparation de la dernière des quatre forces de la nature. 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.

Source: Space.com, Le nouvel ordre mondial, 6 janvier 2021 – Traduction par Astro Univers