La turbulence des ondes gravitationnelles dans l'Univers primordial

Publié par Adrien le 20/12/2017 à 00:00
Source: CNRS-INSU
La possibilité de détecter directement les ondes gravitationnelles laisse présager d'importantes découvertes sur le fonctionnement de notre Univers. Deux chercheurs du Laboratoire de Physique des Plasmas (CNRS / Ecole Polytechnique / Université Paris-Sud / UPMC / Observatoire de Paris) et de l'Université de Warwick (L'université de Warwick est une université anglaise située à Coventry dans le...) soulèvent un coin du voile sur la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) à l'oeuvre dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) très primordial en parvenant à décrire le comportement non-linéaire des ondes gravitationnelles. Ces travaux sont publiés dans la revue Physical Review Letters.

Nous vivons actuellement une véritable révolution avec la multiplication (La multiplication est l'une des quatre opérations de l'arithmétique élémentaire...) d'observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) directes d'ondes gravitationnelles. Cette nouvelle astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer...) nous promet des découvertes surprenantes dans les prochaines années sur le fonctionnement de notre Univers proche ou lointain. Qu'en est-il de l'étude théorique des ondes gravitationnelles ?

Les chercheurs ont étudié le comportement non-linéaire d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) aléatoire d'ondes gravitationnelles de faible amplitude (Dans cette simple équation d’onde :). On peut s'attendre à un tel comportement dans des cas extrêmes tels que l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) des trous noirs ou l'Univers très primordial: en effet, autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) 10^-36s une brisure de symétrie de la Théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de Grande Unification (Le concept d'unification est une notion centrale de la logique des prédicats ainsi que...) est attendue qui, selon certains scénarii, pourrait mener à une transition de phase (En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié...) du premier ordre entraînant la génération de bulles de vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) (voir figure) ; les collisions de ces bulles seraient une source puissante d'ondes gravitationnelles.


Les bulles du vide de l'univers primordial (image d'artiste sans licence).

Dans ce travail, les chercheurs ont obtenu, par un développement mathématique rigoureux, les équations de la turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse...) d'ondes gravitationnelles ainsi que leurs solutions. Leurs calculs sont basés sur les équations de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...) qui sont supposées être valables au-delà du temps de Planck (Le temps de Planck, également appelé échelle de Planck est, en physique, une unité de temps qui...) (10-43s). Ils ont montré qu'un forçage initial de la métrique espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise...) autour d'un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) kF mène à l'excitation de fluctuations de la métrique à des nombres d'ondes plus grands et plus petits que kF. Dans le premier cas, la cascade directe vers les petites échelles est limitée par l'échelle de Planck sous laquelle la gravité quantique (La gravité quantique est une branche de la physique théorique tentant d'unifier la...) domine. Dans le deuxième cas, la cascade inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) est explosive avec en principe la possibilité d'exciter des fluctuations de kF à k=0 (échelle infinie) en un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) fini. Le mécanisme s'arrête cependant à l'échelle où la turbulence devient forte. Cette cascade inverse fournit un mécanisme efficace pour homogénéiser les fluctuations primordiales de l'Univers.

Ces résultats ouvrent des perspectives excitantes car de récents travaux numériques démontrent que la métrique espace-temps autour les trous noirs est sujette à un phénomène de cascade inverse qui reste à comprendre. Par ailleurs, les travaux des deux chercheurs laissent entrevoir la possibilité d'un mécanisme d'expansion accélérée de l'Univers primordial par des effets non-linéaires si en particulier (ce n'est pas la seule condition) le mécanisme de transfert inverse peut s'étendre au régime de turbulence forte. A l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur...) où de nombreuses questions cosmologiques restent ouvertes (origines de l'énergie sombre (En cosmologie, l'énergie sombre est une forme d'énergie hypothétique remplissant tout l'Univers...), de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) sombre ou de l'inflation cosmologique), la physique non-linéaire pourrait apporter des réponses originales.
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