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 rendu turbulent l'espace-temps du Big Bang

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

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. 

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.

  • 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.