Une vue d'artiste du Big Bang, à ne pas prendre au pied de la lettre car le Big Bang n'est très probablement pas une explosion dans un espace-temps pré-existant. © Fotolia, SantaPa design
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Les ondes gravitationnelles auraient bien rendu turbulent l'espace-temps du Big Bang

ActualitéClassé sous :ondes gravitationnelles , relativité générale , trou noir

[EN VIDÉO] Interview : comment mesurer les ondes gravitationnelles ?  Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps prédites par Einstein. Il serait possible de les mesurer avec des outils appropriés. L’éditeur littéraire Dunod a interviewé Pierre Binétruy, professeur au laboratoire Astroparticule et Cosmologie de l'université Paris Diderot, afin d’en savoir plus sur ces mystérieuses ondes et sur la façon dont on pourrait les détecter. 

L'espace-temps n'est pas un milieu matériel, pourtant sa dynamique ressemble à celle des fluides. Comme eux, il aurait pu devenir turbulent, notamment au moment du Big Bang, quand il était parcouru par des ondes gravitationnelles. Des simulations numériques soutiennent l'existence de ce phénomène qui semble fournir une alternative au scénario d'inflation standard en cosmologie primordiale.

L'hydrodynamique est une science dont les débuts sont anciens et ce n'est pas étonnant étant donné que l'écoulement de l'eau ou le comportement des liquides ont de tout temps fasciné l'Homme et que les premiers ingénieurs, avant Archimède, cherchaient à maîtriser le transport de l'eau. Les dessins que Léonard de Vinci nous a laissés dans plusieurs de ces carnets sont une excellente illustration de cette fascination et de ces préoccupations.

Le regretté Michel Serres avait supposé un lien entre la contemplation du comportement tourbillonnaire de l'eau et la naissance de la physique atomique grecque décrite par le fameux poème du philosophe épicurien Lucrèce.

Mais il a fallu attendre les travaux d'Euler et de Bernoulli pour que des équations mathématiques puissantes commencent à rendre compte de ces phénomènes. Aujourd'hui, même si l'on pense que les équations de Navier-Stokes, jointes aux principes de la thermodynamique et aux équations de l'électromagnétisme, décrivent presque tous les phénomènes d'écoulement de fluides, il reste des mystères à percer en hydrodynamique.

Il y en a un qui a beaucoup préoccupé les physiciens et ingénieurs du XXe siècle (décrire le comportement des océans, de l'atmosphère et l'écoulement de l'air autour d'un avion ou d'une voiture nécessite in fine sa compréhension).

C'est celui de la turbulence (voir à ce sujet le cours du prix Nobel de Physique Kip Thorne).

Au point que des physiciens du calibre de Feynman et Landau s'y sont attaqués et que Heisenberg lui-même a passé sa thèse sur ce sujet sous la direction de Sommerfeld avant de s'illustrer par ses découvertes en physique quantique.

L'écoulement des fluides fascine l'Homme depuis des millénaires. Léonard de Vinci a réalisé plusieurs dessins montrant les formes tourbillonnantes que peut prendre l'eau, mais ce n'est qu'avec les travaux de mathématiciens comme Euler, Navier et Stokes que l'on a commencé à pouvoir les décrire et les comprendre. Aujourd'hui, on est en train d'établir une connexion entre ces formes et la théorie des trous noirs et maintenant celle des ondes gravitationnelles pendant le Big Bang. On peut rêver des dessins qu'aurait aimé réaliser Léonard au sujet de la physique des espaces-temps courbes. © Images des mathématiques, CNRS

La turbulence quantique et classique de l'espace-temps du Big Bang

Aujourd'hui, comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous, la physique de la turbulence inspire ceux qui cherchent à comprendre l’écume de l’espace-temps dont parle Jean-Pierre Luminet dans un de ses précédents livres. Il semble désormais que même les ondes gravitationnelles peuvent manifester un comportement qui est l'analogue de celui de la turbulence des fluides comme le physicien Sébastien Galtier le montre de plus en plus clairement avec des collègues.

Avec Jason Laurie et Sergey Nazarenko il a publié en 2020 un article où il est suggéré qu'un espace-temps turbulent pendant le Big Bang avec des minitrous noirs primordiaux en collision et émettant des ondes gravitationnelles alimentant cette turbulence aurait pu donner lieu à un phénomène similaire à celui de l’inflation généralement postulé comme résultant de l'effet d'un champ scalaire, l'inflaton, analogue au champ du boson de Brout-Englert-Higgs. Les premiers résultats montrent que cette hypothèse semble compatible avec les analyses des données du rayonnement fossile de la mission Planck.

Cette année, Sébastien Galtier et Sergey Nazarenko ont publié un autre travail dans lequel ils confirment par des simulations numériques ce que leurs calculs analytiques avaient montré en 2017 et dont Futura parlait dans le précédent article ci-dessous. C'est la première fois que ce genre de simulation montre qu'un comportement turbulent de l'espace-temps peut naître avec des ondes gravitationnelles, d'abord faibles puis qui deviennent ensuite fortes. C'est une motivation de plus pour explorer plus en avant le modèle d'inflation alternatif proposé en 2020 et qui repose sur ces phénomènes.

Sébastien Galtier exposant ses travaux sur la turbulence de l'espace-temps. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Institut d'Astrophysique de Paris

  • Depuis plus de 60 ans, les physiciens ont noté des analogies entre la physique des fluides et celles de l'espace-temps suggérant qu'il puisse devenir turbulent dans certaines situations, par exemple du fait de la gravitation quantique.
  • Cette turbulence pourrait aussi apparaître lorsque des ondes gravitationnelles sont en interaction, par exemple pendant le Big Bang, lorsque les forces se sont séparées.
Pour en savoir plus

Les ondes gravitationnelles auraient rendu turbulent l'espace-temps du Big Bang

Article de Laurent Sacco publié le 27/12/2017

L'espace-temps n'est pas un milieu matériel mais, pourtant, sa dynamique ressemble à celle des fluides. Comme eux, il pourrait donc devenir turbulent, au moment du Big Bang ou près de certains trous noirs, notamment quand il est parcouru d'ondes gravitationnelles.

Les équations de la relativité générale sont non linéaires, tout comme celles de la mécanique des fluides, de sorte qu'il est souvent difficile d'en extraire des prédictions. L'écueil peut être contourné à l'aide d'ordinateurs mais ils ont leurs limites.

En fait, le comportement de l'espace-temps et celui d'un fluide ont bien des points en commun. Il est donc possible de tirer quelque inspiration de la physique des fluides pour aborder la physique des espace-temps courbes. C'est ce qu'avait compris dans les années 1950 et 1960 le grand physicien John Wheeler. Il avait en particulier avancé des arguments laissant entendre que l'espace-temps pouvait se comporter comme un fluide turbulent avec une structure en écume à une échelle très petite, celle de Planck, où les distances sont de l'ordre de 10-35 cm, ou moins, et les temps plus courts que 10-43 s, des échelles de temps et d'espace que l'on trouve aussi près de l'hypothétique temps zéro du Big Bang. Les fluctuations quantiques de l'espace-temps changeraient sa topologie, avec des trous noirs et des trous de vers virtuels microscopiques apparaissant et disparaissant sans cesse.

Une conférence sur la turbulence. © Mission 2000 en France, UTLS

Une cascade turbulente d'ondes gravitationnelles

Deux chercheurs du Laboratoire de physique des plasmas (CNRS, Ecole Polytechnique, université Paris-Sud, UPMC, Observatoire de Paris) et de l'université de Warwick ont poussé les idées de Wheeler un cran plus loin. Selon leur hypothèse, d'autres aspects de la turbulence des fluides peuvent apparaître, comme ils l'expliquent dans un article publié dans la revue Physical Review Letters et disponible sur arXiv.

Ce travail est intéressant à plus d'un titre, notamment par ses connexions possibles avec la correspondance fluide-gravité qui pointe son nez depuis quelque temps dans la physique des trous noirs. En l'occurrence, les chercheurs ont trouvé une nouvelle manifestation de l'équivalent de la cascade turbulente de la physique des fluides, une forme de transfert d'énergie entre des tourbillons de grandes tailles, possédant une grande énergie cinétique, et des plus petits qui peuvent absorber et dissiper cette énergie. Ce phénomène a fait l'objet de travaux importants il y a presque un siècle, d'abord de la part du mathématicien britannique Lewis Richardson dans les années 1920 puis de son collègue russe, le mythique Andreï Kolmogorov, dans les années 1940.

Dans le cas présent, des transferts d'énergies associés à la turbulence de l'espace-temps s'opéreraient grâce à des couplages non linéaires entre des ondes gravitationnelles de faibles amplitudes. Ces ondes pourraient par exemple avoir été générées par des transitions de phase dans les champs quantiques primordiaux quand les forces se sont désunifiées, d'abord dans le cadre des théories de grande unification (qui restent hypothétiques) et au moins lors de la brisure de symétrie de la force électrofaible.

D'après les chercheurs, ce phénomène de cascade turbulente pourrait avoir contribué à homogénéiser les fluctuations primordiales de l'espace-temps qui pouvaient être très chaotiques au moment du Big Bang. La question est d'importance pour les travaux sur le rayonnement fossile et sur l'abondance des trous noirs primordiaux, lesquels pourraient être des fossiles venus des tout premiers instants du cosmos observable.

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