Les champs magnétiques intergalactiques sont une fenêtre sur l'avant-Big Bang. Ici, la galaxie NGC 1275, située à 237 millions d'années-lumière de la Voie lactée ; elle est la grande galaxie de l'amas de Persée. Elle possède des filaments de matière parfois longs de presque 20.000 années-lumière dont la stabilité semble assurée par un champ magnétique. © Nasa, ESA, Hubble Heritage (STScI/AURA) ; A. Fabian (IoA, Cambridge U.), L. Frattare (STScI), CXC, G. Taylor, NRAO, VLA

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Champs magnétiques intergalactiques : une fenêtre sur l'avant-Big Bang ? (MAJ)

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Des simulations numériques montrent, pour la première fois, que des ondes de choc se sont formées pendant le Big Bang. Cela expliquerait d'où viennent les champs magnétiques galactiques et intergalactiques primitifs.

Interview : que savons-nous réellement de l'avant-Big Bang ?  Le Big Bang est une singularité souvent décrite comme incarnant l’origine de l’univers mais il est possible qu'il ne soit qu'un épisode de son existence. Futura-Sciences est parti à la rencontre d’Étienne Klein, physicien, afin de savoir si quelque chose aurait pu le précéder. 

La présence de champs magnétiques à l'échelle des galaxies, des amas de galaxies et même de l'univers observable est mal comprise depuis des décennies. Certaines hypothèses ont cependant été proposées, notamment celle de la production de faibles champs magnétiques initiaux au moment du Big Bang, qui auraient ensuite été amplifiés par effet dynamo, comme dans le cas des champs magnétiques de la Terre et du Soleil.

Pour générer ces champs magnétiques initiaux, de la nouvelle physique a parfois été invoquée, peut-être en relation avec un hypothétique avant-Big Bang. Un article récent déposé sur arXiv par le célèbre Neil Turok, en compagnie de son collègue Ue-Li Pen, pointe toutefois vers une explication moins exotique.

Les cosmologistes ont développé des simulations numériques (de plus en plus puissantes au cours des années) du comportement du fluide de particules chargées ultra-dense et chaud qui existait au moment du Big Bang. Ce fluide contenait des fluctuations de température et de densité qui ont laissé leurs traces dans le rayonnement fossile. Mesurées précisément par Planck, les caractéristiques de ces fluctuations peuvent nourrir ces simulations. Turok et Pen ont poussé un cran plus loin les calculs pour entrer dans ce que l'on appelle « le régime non linéaire » et, pour la première fois, ils ont montré que des ondes de choc se produisaient dans le plasma de particules primordiales.

Les simulations conduites par Turok et Pen donnent ces images, où l'on a représenté les fluctuations de densité qui accompagnent les ondes sonores dans le plasma primordial. Plus la densité est élevée, plus la luminosité est grande. On voit apparaître, au bout d'un moment, des fronts d'ondes brillantes, ce sont les ondes de choc entrant en collision. © Science News

Les ondes de choc n'ont, en soi, rien de bien mystérieux. Ce sont de brusques discontinuités des valeurs de certaines quantités dans un fluide (ou un champ), comme la pression et la densité. Un exemple bien connu est celui du bang supersonique d'un avion (on peut aussi citer le ressac des vagues).

Turok et Pen ont découvert que des collisions entre ondes de choc devaient se produire entre 10-30 et 10-4 s après le temps zéro des modèles de cosmologie relativiste considérés habituellement. Or, ces collisions créent des tourbillons dans le plasma, ce qui veut dire que des courants de particules chargées y naissent et s'organisent comme si des bobines de courants produisant des champs magnétiques existaient.

En plus d'expliquer l'origine des champs magnétiques galactiques et intergalactiques, ces collisions d'ondes de choc créent l'une des conditions de Sakharov nécessaires pour résoudre l'énigme de l’antimatière en cosmologie (à savoir un écart à l'équilibre thermique) et elles génèrent des ondes gravitationnelles à la portée des détecteurs en cours de réalisation comme eLisa.

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Article initial de Laurent Sacco publié le 28/09/2010

Le satellite Fermi a fourni des indications de l'existence de champs magnétiques intergalactiques à l'échelle cosmologique. Ceux-ci pourraient apporter des informations sur le début du Big Bang et même sur ce qui s'est passé avant...

On observait des champs magnétiques dans les galaxies et amas de galaxies mais l'on n'avait jamais eu de preuve qu'il existait des champs magnétiques intergalactiques à des échelles supérieures. C'est chose faite grâce aux observations de Fermi. Probablement d'origine primordiale, ces champs pourraient être bavards sur ce qui s'est passé, non seulement au début du Big Bang mais aussi avant...

Il est possible de mettre en évidence l'existence d'un champ magnétique dans une région de l'espace grâce à deux effets physiques, l'effet Zeeman et l'effet Faraday. Dans le premier cas, le champ magnétique modifie les niveaux d'énergie d'un atome dans lequel il est plongé, et donc les raies spectrales que l'on peut observer. Dans le second cas, c'est la polarisation de la lumière qui change. C'est ainsi que l'on a découvert et mesuré des champs magnétiques dans les galaxies et dans les amas de galaxies.

Une origine par effet dynamo problématique

Cela a rapidement posé des problèmes aux astrophysiciens car la stabilité, et surtout la génération de tels champs, n'est pas une chose facile à expliquer. On peut essayer de faire intervenir des mouvements turbulents du plasma présent dans l'Univers observable, amplifiant un petit champ magnétique initial grâce à l'effet dynamo. Celui-ci est bien connu aujourd'hui pour être à l'origine du champ magnétique de la Terre, comme l'a montré l'expérience VKS, et très probablement aussi de celui du Soleil et des autres étoiles. Malheureusement, que ce soit à l'échelle des galaxies ou des amas de galaxies, il faut faire intervenir des hypothèses mal contrôlées pour justifier l'existence d'un effet dynamo. Surtout, cela laisse le problème de l'origine des faibles champs magnétiques initiaux amplifiés par l'effet dynamo complètement dans l'ombre.

Des champs magnétiques générés peu après le Big Bang

Dès 1958, l'astrophysicien et cosmologiste Fred Hoyle avait postulé une origine cosmologique pour ces champs magnétiques primordiaux. Les spécialistes de la cosmologie relativiste ne tardèrent pas à explorer des solutions des équations d'Einstein avec un champ magnétique présent partout dans l'Univers. Une fois la théorie du Big Bang devenue fortement accréditée par la découverte du rayonnement fossile en 1965, des chercheurs comme Edward R. Harrison et Yakov Borisovich Zel'dovich ont essayé de relier l'apparition des champs magnétiques à l'échelle cosmologique (postulée par Hoyle) à des processus turbulents dans le plasma primordial, avant la recombinaison. Cela semblait naturel à l'époque, d'autant plus que la forme en spirale des galaxies pouvait s'interpréter comme des vestiges de tourbillons dans ce plasma.

Des difficultés ne tardèrent pas à apparaître avec ces idées :

  • l'existence de champs magnétiques cosmologiques primordiaux pouvait remettre en cause l'accord entre les calculs de la nucléosynthèse de l'hélium et les observations, comme Kip Thorne et Stephen Hawking allaient le découvrir ;
  • le plasma primordial imaginé à l'époque (essentiellement des protons et des électrons) ne pouvait être que très peu turbulent, comme les progrès dans la théorie de la formation des galaxies et les observations le montrèrent finalement. Cela posait des bornes sur l'intensité d'un champ magnétique primordial à l'échelle cosmologique. On entreprit donc de le mesurer mais, jusqu'à récemment, si un tel champ existait, il était trop faible pour être détecté avec l'effet Zeeman et l'effet Faraday.
De gauche à droite John Preskill, Kip Thorne, Stephen Hawking. © John Preskill

Les observations de Fermi

Les observations de 170 noyaux actifs de galaxies dans le domaine des rayons gamma par le satellite Fermi ont apporté du changement.

Les astrophysiciens sont partis de quelques idées simples proposées en 1995 par R. Plaga. Les photons gamma dans le domaine des TeV émis par les noyaux actifs de galaxies sont susceptibles de former des paires de positrons et d'électrons en entrant en collision avec les photons du fond diffus extragalactique. Ce dernier est constitué du fond diffus infrarouge et des autres émissions dans le domaine optique des galaxies. Ces paires vont alors entrer en collision selon un processus Compton inverse avec les photons du rayonnement fossile, pour donner des photons gamma dans le domaine des GeV.

S'il existait bien un champ magnétique intergalactique, les paires produites à grandes distances de ces galaxies devaient être déviées par ce champ et donc diffuser largement ces photons gamma à plus basses énergies. Au final, en plus d'une zone intense de rayons gamma énergétiques associée à chaque noyau de galaxie actif, on devrait pouvoir observer un halo gamma avec des caractéristiques bien précises.

De tels halos viennent d'être observés par Fermi et permettent maintenant non seulement d'affirmer que des champs magnétiques intergalactiques (IGMF ou Intergalactic Magnetic Fields en anglais) à grandes échelles existent, mais aussi que la valeur de leurs intensités est d'environ BIGMF ~ 10-15 gauss, à comparer avec les 0,5 gauss terrestres.

Une nouvelle fenêtre pour la cosmologie ?

Cette découverte revêt une haute importance car selon toute probabilité, une nouvelle fenêtre sur des phases très primitives de l'Univers vient de s'ouvrir.

L'un des pères de la théorie du pré-Big Bang, Maurizio Gasperini. © INFN.

En effet, depuis les travaux des pionniers de la fin des années 1960, la théorie électrofaible et la chromodynamique quantique ont été découvertes. Lors de la période où existait un plasma de quarks et de gluons ainsi que pendant celle dite de "la transition de phase électrofaible" (celle ou les bosons W et Z ont acquis une masse à cause du boson de Higgs), ces théories montrent qu'il est possible de générer des champs magnétiques cosmologiques.

Un avant-Big Bang ?

Dans le cas de la transition électrofaible qui s'est probablement produite seulement 10-11 s après la « naissance » de l'Univers observable, il est même possible de rendre compte de l'asymétrie matière-antimatière, plus précisément de la baryogénèse.

On devine tout l'importance que pourrait avoir l'étude des IGMF pour sonder ces périodes reculées de l'histoire du cosmos observable.

Mais il y a mieux. Même si cela reste très spéculatif, on pourrait peut-être recueillir de cette manière des renseignements sur un éventuel avant le Big Bang.

Il se trouve que dans la théorie de Pré-Big Bang développée principalement par Gabriele Veneziano et Maurizio Gasperini, la théorie des cordes permet de générer des IGMF en amplifiant les fluctuations électromagnétiques pendant une période inflationnaire. Il ne s'agit pas d'une simple spéculation car des calculs ont été menés à ce sujet. Il reste difficile cependant d'avoir des prédictions solides et il n'est pas sûr que l'on puisse faire la différence entre les prédictions issues des modèles plus standards, basés sur la QCD ou la théorie électrofaible, et celles de la théorie des cordes.