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Nouvelles contraintes pour l'existence des cordes cosmiques

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Deux années d'observations par Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) n'ont abouti à aucune observation d'ondes gravitationnelles. Ce résultat négatif... en est tout de même un puisqu'il impose de nouvelles contraintes à l'existence d'un fond d'ondes gravitationnelles cosmologiques tel qu'il était seulement une minute après le Big Bang. Certains modèles de cordes et de supercordes cosmiques se trouvent aussi exclus.

Vue aérienne de Ligo. Crédit : Caltech

Les ondes gravitationnelles sont le rayonnement le plus pénétrant de l'Univers. Rien ne peut les stopper puisqu'elles sont des oscillations et des propagations d'ondes dans le tissus même de l'espace-temps. Elles ont été prédites par Albert Einstein en 1917 à partir des équations de la relativité générale, mais le grand mathématicien français Henri Poincaré pressentait avant Einstein que la gravitation devait se propager sous forme d'ondes, analogues aux ondes lumineuses, dans certains cas.

Lorsqu'une étoile explose ou s'effondre de façon asymétrique, un flash d'ondes gravitationnelles se produit. Mais c'est surtout lorsque deux étoiles à neutrons ou deux trous noirs entrent en collision qu'une grande quantité d'ondes de ce genre est émise.

De même, lorsqu'un trou noir absorbe un objet comme par exemple une naine brune, la structure parfaitement sphérique de sa surface se déforme. Cela ne peut pas durer longtemps en raison de la mécanique de l'horizon d'un trou noir et ce dernier vibre selon ce qu'on appelle des modes quasi-normaux à la façon d'une cloche que l'on aurait cognée. En émettant des ondes gravitationnelles, le trou noir, qu'il soit en rotation ou pas, retrouve une forme sphérique pour son horizon des événements.

Il existe un phénomène bien plus violent que la collision de deux astres compacts ou l'explosion asymétrique d'une hypernova, c'est le Big Bang lui-même !

En fonction de sa forme et de son contenu en matière, rayonnement et énergie noire la naissance de l'univers observable a conduit là aussi le tissu de l'espace-temps à vibrer de façon plus ou moins chaotique. L'équivalent du fond diffus cosmologique, constitué de photons, doit donc exister tout autour de nous aujourd'hui, mais il s'agit d'ondes gravitationnelles (on peut aussi parler de gravitons) et elles n'ont pas un spectre de corps noir.

Il pourrait exister un fond de gravitons très froids avec un spectre de corps noir datant de l’époque de Planck même. Mais c'est une question très controversée... On peut trouver des articles argumentant en faveur d'un état thermique du fond gravitationnel originaire de cette époque et d'autres, tout aussi convaincants, s'érigeant contre l'existence d'un tel fond. S'il existe, ce n'est en tout cas pas Ligo ni ses successeurs qui seront capables de l'observer et le fond gravitationnel aujourd'hui mesuré, même si il est cosmologique, ne doit pas être confondu avec ce fond dont l'existence est très spéculative.

Le fond d'ondes gravitationnelles cosmologiques stochastiques que Ligo est capable d'observer nous vient de plus loin dans le passé que le fond diffus. Ce dernier provient du passage de l'univers observable à la transparence 380.000 ans après le Big-Bang. Nous nous trouvons donc dans une situation analogue à celle d'un astronome cherchant à observer le centre du Soleil. Dans le domaine des photons, seule la surface de l'astre est observable. Certes, les ondes sismiques traversant le Soleil et faisant vibrer sa surface peuvent nous renseigner indirectement sur son état intérieur mais les données les plus directes quant à l'état du cœur proviennent des particules très pénétrantes que sont les neutrinos. De plus, au contraire des ondes sismiques que l'on ne peut évidemment pas enregistrer directement sur Terre, les neutrinos du Soleil parviennent dans nos détecteurs.

Les collisions entre astres compacts, comme ici deux trous noirs, sont en mesure de créer un fond gravitationnel stochastique, mais il est plus proprement dit astrophysique que cosmologique et ce n'est pas sur lui que porte la publication de Nature. Crédit : Nasa-JPL

Si les cordes cosmiques existent, elles sont très tendues

Les ondes gravitationnelles que Ligo a cherchées dans une certaine bande de fréquences nous parviennent de l'époque de la nucléosynthèse, soit environ une minute seulement après le Big-Bang. De la même façon que le son d'un instrument de musique nous renseigne sur sa forme et sa composition, on peut apprendre beaucoup de choses sur l'état de l'univers à ce moment-là.

Mais ici, la situation est aussi chaotique que celle résultant du jet de plusieurs cailloux presque simultanément dans une mare, c'est-à-dire une superposition complexe d'ondes (d'où le terme stochastique, un équivalent non cosmologique existe aujourd'hui causé par les collisions d'astres compacts dans le cosmos).

En particulier, si des cordes ou des supercordes cosmiques existent, elles doivent vibrer en émettant elles aussi des ondes gravitationnelles en fonction de leurs propriétés et de leur tension. Cela devrait se manifester par une petite composante stochastique supplémentaire dans le fond cosmologique.

Dans les instruments de Ligo, qui consistent en deux longs tubes sous vide parcourus par des faisceaux laser, le passage d'ondes gravitationnelles, en faisant vibrer le tissu de l'espace, conduit à des contractions et des élongations rythmées des longueurs des deux tubes. Le dispositif fonctionne comme un gigantesque interféromètre et les modifications des trajets des faisceaux laser lors du passage d'une onde gravitationnelle se manifesteront par la formation de franges d'interférence.

Les mesures sont délicates car il faut particulièrement bien isoler le dispositif du bruit sismique et plus généralement de tout bruit, ou, au moins savoir comment en retirer les effets dans les mesures pour obtenir un signal significatif. Songez que dans le cas des ondes cherchées par Ligo il faut pouvoir atteindre des modifications de longueur de l'ordre du millième du diamètre d'un noyau d'atome !

Des observations ont été conduites de 2005 à 2007 et les conclusions des chercheurs de la collaboration Ligo sont aujourd'hui publiées dans Nature. Elles sont simples :

Aucun fond cosmologique d'ondes gravitationnelles stochastiques n'a été observé dans la bande de fréquences étudiée !

Comme toujours en science, un résultat négatif est un résultat. En particulier, si des filaments d'énergie créés très tôt dans le cosmos et agrandis par son expansion ultra-rapide existaient, les fameuses cordes et supercordes cosmiques dont les premières seules proviennent des théories de grande unification (GUT), leurs tensions ne peuvent pas être arbitraires. Ainsi, il semble bien que les modèles prédisant des supercordes cosmiques avec une faible tension soient exclus.

Il est remarquable de voir qu'en ce moment même, comme par exemple avec Fermi, les expérimentateurs sont en train d'explorer concrètement le territoire de la gravitation quantique expérimentale, ce qui était encore une utopie il y a vingt ans.