Détermination d'une masse limite pour les cordes cosmiques

Des physiciens américains et de Singapour ont utilisé la lumière issue de galaxies lointaines pour effectuer une recherche systématique des cordes cosmiques, ces structures massives qui pourraient être apparues juste après le Big Bang. Les chercheurs n'ont pas trouvé de preuves de leur existence dans la petite portion de ciel qu'ils ont analysée, mais ils ont pu fixer une limite supérieure à la masse par unité de longueur de ces cordes. L'équipe travaille dorénavant à améliorer ses résultats en regardant de plus vastes parties de la voute céleste.


Les cordes cosmiques sont des structures extrêmement longues et denses dont de nombreux physiciens pensent qu'elles ont été générées environ 10^-35 seconde après le Big Bang. A cet instant, l'univers était devenu assez froid pour que la force électroforte commence à se différencier en force forte et électrofaible. Ce processus de brisure de symétrie a marqué une transition de phase dans l'état de l'univers, un peu comme l'eau liquide se transformant en glace.

De la même façon que des défauts dans le cristal peuvent apparaitre lorsque l'eau gèle, certains cosmologues pensent que des défectuosités dans le tissu de l'univers sous forme de cordes cosmiques sont apparues pendant cette transition de phase. Ces objets monodimensionnels extrêmement massifs, pourraient avoir perduré jusqu'à ce jour, et leur étude pourrait fournir des informations importantes sur l'univers primordial et la manière dont les étoiles et les galaxies ont évolué depuis l' "explosion" initiale.

Mais on manque de preuve...

Le seul problème est que personne n'est parvenu à trouver la moindre preuve convaincante de l'existence des cordes cosmiques. Le meilleur que les chercheurs aient réussi jusqu'à présent est de fournir une limite supérieure à leur densité. Ceci a été réalisé en recherchant leurs effets sur le fond cosmique micro-onde (CMB), sur d'éventuelles ondes gravitationnelles créées lorsqu'une corde cosmique se détend comme un fouet, et sur le phénomène de lentille gravitationnelle qui se produirait quand la lumière d'une galaxie lointaine serait déformée par le champ de gravitation intense d'une corde cosmique, faisant apparaître une galaxie unique comme une paire de galaxies à un observateur terrestre.

Les chercheurs américains, dirigés par Eric Albin de l'Université Polytechnique de Californie, et leurs collègues de Singapour ont réalisé la première analyse systématique d'une section du ciel à la recherche de lentilles gravitationnelles dues à des cordes cosmiques. L'équipe a utilisé une étude portant sur environ 300 minutes d'arc carrées du ciel (en gros, un millionième de l'univers) réalisée par le télescope spatial Hubble.

L'étude contient environ 78 000 galaxies, et l'équipe a employé un algorithme informatique afin de filtrer toutes ces images pour rechercher des paires de galaxies voisines qui pourraient effectivement représenter une galaxie unique déformée par l'effet de lentille d'une corde cosmique. L'équipe a recherché de telles "paires" de galaxies de taille et d'éclat semblables (au-dessus d'un certain seuil d'éclat), séparées de moins de 15 secondes d'arc: 6600 paires satisfaisaient ces critères.

Des simulations sur ordinateur de la façon dont une corde cosmique déformerait la lumière des galaxies lointaines suggèrent que les éléments des paires "mirages" seraient séparées par 6 secondes d'arc ou moins. En conséquence les chercheurs ont supposé que les paires séparées par plus (de 7 à 15 secondes d'arc, donc) donnaient une mesure d'un "bruit de fond" constitué par des paires réelles de galaxies observées par hasard, plutôt qu'en raison du phénomène de lentille provoqué par la présence de cordes.

Bien que l'analyse ne prouvait pas un excès significatif de paires pouvant être attribuées à la présence des cordes cosmiques, l'équipe à cependant pu valider une limite supérieure à la masse des cordes cosmiques, moins qu'environ 2% de la masse totale de l'univers. En termes de masse par unité de longueur pour une corde cosmique individuelle, la limite supérieure est d'environ 10^-7 (en unité sans dimension).

Ce résultat est meilleur que la limite (d'environ 10^-6) imposée par une recherche récente, à laquelle a participé le prix Nobel George Smoot, et basée sur l'analyse des fluctuations de la température dans le CMB qui pourraient être provoquées par les cordes cosmiques. Cependant, il n'est pas aussi précis que la limite déduite d'une analyse du spectre de puissance du CMB et de la recherche des ondes gravitationnelles produites par les cordes cosmiques (environ 10^-8).

Mais Albin précise que ces derniers résultats dépendent de plusieurs hypothèses concernant la façon dont les cordes cosmiques se déplacent dans l'univers, ce qui les rend potentiellement plus difficiles à interpréter que ceux de sa propre équipe.

Un inconvénient de l'étude actuelle est qu'elle ne couvre qu'une portion très petite de l'univers. Albin indique que son équipe travaille désormais à améliorer la précision de la technique en utilisant une étude plus récente du ciel appelée COSMOS, qui concerne une partie beaucoup plus grande du ciel (deux degrés carrés).