La turbulence des ondes gravitationnelles dans l’Univers primordial

Mardi, 19 décembre 2017

La possibilité de détecter directement les ondes gravitationnelles laisse présager d’importantes découvertes sur le fonctionnement de notre Univers. Deux chercheurs du Laboratoire de Physique des Plasmas (CNRS / Ecole Polytechnique / Université Paris-Sud / UPMC / Observatoire de Paris) et de l’Université de Warwick soulèvent un coin du voile sur la physique à l’œuvre dans l’Univers très primordial en parvenant à décrire le comportement non-linéaire des ondes gravitationnelles. Ces travaux sont publiés dans la revue Physical Review Letters.

Nous vivons actuellement une véritable révolution avec la multiplication d’observations directes d’ondes gravitationnelles. Cette nouvelle astronomie nous promet des découvertes surprenantes dans les prochaines années sur le fonctionnement de notre Univers proche ou lointain. Qu’en est-il de l’étude théorique des ondes gravitationnelles ? 

Les chercheurs ont étudié le comportement non-linéaire d’un ensemble aléatoire d’ondes gravitationnelles de faible amplitude. On peut s’attendre à un tel comportement dans des cas extrêmes tels que l’environnement des trous noirs ou l’Univers très primordial : en effet, autour 10-36s une brisure de symétrie de la Théorie de Grande Unification est attendue qui, selon certains scénarii, pourrait mener à une transition de phase du premier ordre entraînant la génération de bulles de vide (voir figure) ; les collisions de ces bulles seraient une source puissante d’ondes gravitationnelles. 


Les bulles du vide de l’univers primordial (image d’artiste sans licence).

Dans ce travail, les chercheurs ont obtenu, par un développement mathématique rigoureux, les équations de la turbulence d’ondes gravitationnelles ainsi que leurs solutions. Leurs calculs sont basés sur les équations de la relativité générale qui sont supposées être valables au-delà du temps de Planck (10-43s). Ils ont montré qu’un forçage initial de la métrique espace-temps autour d’un nombre d’onde kF mène à l’excitation de fluctuations de la métrique à des nombres d’ondes plus grands et plus petits que kF. Dans le premier cas, la cascade directe vers les petites échelles est limitée par l’échelle de Planck sous laquelle la gravité quantique domine. Dans le deuxième cas, la cascade inverse est explosive avec en principe la possibilité d’exciter des fluctuations de kF à k=0 (échelle infinie) en un temps fini. Le mécanisme s’arrête cependant à l’échelle où la turbulence devient forte. Cette cascade inverse fournit un mécanisme efficace pour homogénéiser les fluctuations primordiales de l’Univers.

Ces résultats ouvrent des perspectives excitantes car de récents travaux numériques démontrent que la métrique espace-temps autour les trous noirs est sujette à un phénomène de cascade inverse qui reste à comprendre. Par ailleurs, les travaux des deux chercheurs laissent entrevoir la possibilité d’un mécanisme d’expansion accélérée de l’Univers primordial par des effets non-linéaires si en particulier (ce n’est pas la seule condition) le mécanisme de transfert inverse peut s’étendre au régime de turbulence forte. A l’heure où de nombreuses questions cosmologiques restent ouvertes (origines de l’énergie sombre, de la matière sombre ou de l’inflation cosmologique), la physique non-linéaire pourrait apporter des réponses originales. 

Source(s): 

S. Galtier & S.N. Nazarenko, Turbulence of weak gravitational waves in the early Universe, Physical Review Letters,119, 221101, 28 novembre 2017

Contact(s):
  • Sébastien Galtier, Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP-CNRS/École Polytechnique/UPMC/Université Paris Sud/Observatoire de Paris)
    sebastien [dot] galtier [at] lpp [dot] polytechnique [dot] fr, 01 69 33 58 46

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