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Des quasars trahissent-ils l’existence passée de cordes cosmiques ?

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Deux physiciens proposent une explication à la curieuse tendance à l'alignement des axes de rotation observée dans un groupe de plusieurs centaines de quasars. Ce serait le champ magnétique intergalactique issu d'une paire de cordes cosmiques électrofaibles qui aurait fait basculer ces axes.

Une paire de cordes cosmiques dans une simulation numérique montrant que ces dernières sont instables et doivent se désintégrer. © University of Cambridge

L'origine des galaxies, des amas et des superamas de galaxies est l'un des problèmes centraux de la cosmologie. On pense que ces grandes structures proviennent initialement de fluctuations de densité dans l'univers primordial. Elles auraient servi en quelque sorte de germes de nucléations pour la matière normale, provoquant son effondrement gravitationnel dans les zones les plus denses.

On a beaucoup spéculé sur la nature de ces germes et l'origine des fluctuations de densité. La plupart des cosmologistes pensent aujourd'hui que les explications les plus probables font intervenir la théorie de l'inflation et la matière noire. Ce serait des fluctuations quantiques dans un champ scalaire primordial, assez semblable à celui du boson de Higgs, qui auraient été amplifiées par l'expansion exponentielle de l'espace pendant l'inflation.

Grâce à ce mécanisme, des fluctuations classiques dans la distribution de matière noire, insensible à la pression du rayonnement lumineux dominant la matière normale et s'opposant pendant un temps à son effondrement en structures, auraient alors commencé à former les premiers agrégats de matière. Ceux-ci auraient ensuite servi d'attracteurs pour l'accrétion de la matière normale qui donnera finalement par son effondrement gravitationnel les premières étoiles et les premières galaxies.

Des filaments cosmiques pour générer des amas de galaxies

Toutefois, avant les contraintes fournies par les observations du rayonnement fossile par des expériences au sol ou en ballon (comme Boomerang, DASI, Maxima ou Archéops), un autre scénario avait été proposé pour expliquer la genèse des grandes structures dans l'univers.

Il s'agissait de faire intervenir des cordes cosmiques, des sortes de défauts topologiques analogues à ceux que l'on trouve dans un réseau cristallin lorsqu'un liquide devient solide en se refroidissant. C'est en particulier Thomas Kibble qui fut l'un des premiers à proposer ce scénario dans les années 1970.

Ces cordes seraient des zones dans l'espace ou des champs de Higgs, que l'on fait intervenir dans la théorie électrofaible ou les théories de grande unification, seraient restées dans leur état primitif. Cela se traduirait par la présence de filaments dont l'épaisseur est celle d'un proton mais où la densité d'énergie associée à ces champs serait encore extrêmement élevée. Quelques kilomètres de ces bouts de ficelles cosmiques, qui ne doivent pas être confondues avec celles de la théorie des supercordes, pèseraient tout de même aussi lourd que la Terre.

Ces cordes formeraient des boucles et des filaments pouvant s'étendre sur des centaines de millions d'années-lumière. A priori, ce sont de bons candidats pour amorcer l'effondrement de la matière normale et former les filaments d'amas de galaxies que l'on observe aujourd'hui.

Le physicien Thomas Kibble. Il a non seulement proposé le mécanisme de Higgs, indépendamment de Peter Higgs, mais a aussi été à l'origine du concept de corde cosmique. © Imperial College London

Malheureusement, comme nous l'avons vu, les fluctuations de densité qui ont laissé leurs empreintes dans les fluctuations de températures des anisotropies du rayonnement fossile ne permettent pas de faire intervenir ces cordes cosmiques pour expliquer les grandes structures.

Cela ne réfute pas l'existence possible de cordes cosmiques, mais elles ne peuvent pas expliquer majoritairement les observations. Ce rôle est aujourd'hui dévolu à la matière noire.

Toutefois, on continue à chercher des traces des cordes cosmiques et une publication récente de deux chercheurs de l'université de Buffalo, Robert Poltis et Dejan Stojkovic, est intrigante.

Ces chercheurs se basent sur un curieux fait que pense avoir découvert un groupe d'astronomes il y a quelques années et qui concerne 355 quasars. Les axes de rotations des trous noirs supermassifs les faisant briller en accrétant de la matière, semblent plus ou moins alignés et varient collectivement dans l'espace d'une façon qui ne paraît pas être aléatoire.

Si le phénomène est bien réel, on pourrait tenter de l'expliquer comme étant l'effet d'une rotation globale de l'univers, qui influencerait donc les axes de ces toupies que constituent ces trous noirs de Kerr en rotation. On sait que le grand logicien Kurt Gödel avait trouvé une telle solution cosmologique aux équations d'Einstein. Mais l'isotropie du rayonnement fossile laisse très peu de place pour une éventuelle rotation de l'univers.

Champs magnétiques intergalactiques et cordes cosmiques

Une autre explication, avancée par les chercheurs, fait intervenir un champ magnétique intergalactique au moment de la formation de ces quasars, très tôt dans l'histoire de l'univers. On sait en effet que les cordes cosmiques peuvent être supraconductrices, comme Witten l'a montré, ou peuvent perturber le plasma originel avant la recombinaison, de telle sorte que des champs magnétiques intergalactiques cosmologiques primordiaux peuvent être générés.

Remarquablement, une observation récente et très importante du satellite Fermi est favorable à l'existence de ces champs.

Calculs à l'appui, Poltis et Stojkovic montrent que de tels champs magnétiques générés pendant un temps par des cordes cosmiques électrofaibles (c'est-à-dire faisant intervenir le champ de Higgs du modèle standard et non celui encore plus spéculatif des GUT), sont en mesure d'expliquer particulièrement bien les observations avec les quasars.

Il faut savoir que ces quasars, avec le plasma qu'ils génèrent autour d'eux, peuvent être vus comme des sortes de dipôles magnétiques. Ils pourraient donc s'orienter selon la direction d'un champ magnétique, de la même façon que le font des atomes dans un matériau magnétique. Une autre explication est que la formation même des galaxies a été influencée par le champ magnétique des cordes, leur donnant une orientation qui se retrouve dans celles des quasars qui s'y sont formés plus tard.

L'hypothèse est fascinante mais elle laisse perplexe certains spécialistes comme Tanmay Vachaspati de l'Arizona State University. Pour lui, le champ magnétique qui aurait été généré par les cordes électrofaibles était trop instable pour avoir pu exister suffisamment longtemps pour influencer les quasars.