Spaghetti de l'univers

2009/10/01 Urrestilla, Jon - Fisikan doktorea eta Sussexeko Unibertsitateko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Astrofisika

Si l'une des transitions de phase de l'univers était équivalente à la conversion de l'eau liquide en glace, l'étude des ruisseaux pris dans la glace permettrait de connaître l'univers antique.

Dmitry Maslov/350RF

Les cordes cosmiques sont des erreurs topologiques. Quand l'univers était très jeune, des transitions de phase cosmologique ont eu lieu qui pourraient conduire à des erreurs et qui sont les cordes cosmiques.

Essayons de le comprendre par une analogie : supposons qu'une des phases de transition de l'univers soit équivalente à la conversion de l'eau liquide en glace. Par conséquent, à des températures élevées, nous aurions de l'eau liquide et en abaissant la température, l'eau deviendrait glace. Mais il est possible (selon la théorie que nous utilisons) que dans la glace apparaissent des ruisseaux d'eau liquide. Si cela se produisait, nous qui vivons dans une phase froide (glace), nous pourrons observer la phase chaude observant ces ruisseaux. Ces ruisseaux sont analogues aux défauts, les fragments à haute température (ruisseaux) qui sont restés dans la phase de basse température (glace).

Énergies très élevées

Les erreurs qui prédisent les modèles cosmologiques à haute énergie ont, dans la plupart des cas, forme de corde, c'est-à-dire, sont des objets unidimensionnels. En outre, ils ont des propriétés incroyables: bien qu'ils aient une largeur beaucoup plus faible que celle d'un atome (peut-être la largeur d'un proton), la longueur est mesurée en années-lumière (ils s'étendent tout au long de l'univers). La masse est aussi énorme: une corde d'un kilomètre aurait la même masse que la Terre! Il peut être utile d'avoir une image mentale normale : les cordes cosmiques sont semblables à celles de spaghetti très long, très fin et de grande masse.

En cosmologie, il est très difficile de détecter les erreurs et, d'une certaine façon, ils ne sont connus que dans le domaine théorique. Mais dans d'autres domaines de la physique des erreurs se produisent. Dans la physique de la matière condensée, par exemple, des défauts apparaissent dans des cristaux liquides, des matériaux ferromagnétiques, des supraconducteurs, etc. Ces erreurs peuvent être analysées en laboratoire, ce qui permet une relation intéressante entre matière condensée et cosmologie. En tout cas, même s'ils n'ont pas été vus en cosmologie, il est assez logique de penser que les erreurs peuvent être dans l'univers, car elles existent dans d'autres domaines de la physique.

Les cordes cosmiques sont possibles dans de nombreuses théories de haute énergie, y compris la théorie des supercordes (donc, bien qu'avec des concepts totalement différents, les supercordes et les cordes cosmiques ont quelques liens). Et, s'ils paraissaient, ils apparaîtraient dans une énergie très élevée, bien supérieure à celle que l'on peut obtenir dans les accélérateurs de particules. Trouver des cordes serait une percée pour la physique de base. Pour beaucoup, les cordes cosmiques sont l'une des rares possibilités de tester directement la théorie des supercordes.

Représentation de la création et évolution de l'univers.

(Photo: WMAP (NASA)

Mais, comme nous l'avons dit, il est très difficile d'observer directement les cordes cosmiques. Imaginons que les cordes cosmiques ont été formées dans l'univers nouveau-né. À cette époque, l'univers semblait spagher un plat. Mais comme l'univers refroidit et grandit, la densité de corde a diminué. Maintenant seulement quelques spaghettis sont dans notre assiette (notre univers observable). Être proche de nous est un fait très peu probable. Par conséquent, au lieu de mesurer directement les cordes, nous devons mesurer leurs effets indirects, par exemple par l'effet des cordes sur le rayonnement micro-ondes de fond (CMB) ou par l'effet de la lentille gravitationnelle.

Indices indirects

La lentille gravitationnelle est un phénomène connu dans l'astrophysique : s'il y a un objet de grande masse entre une galaxie éloignée de nous et nous (par exemple un ensemble de galaxies), la lumière de la galaxie lointaine se détériore à la suite de cet objet intermédiaire et l'image se déforme. L'analyse de la distorsion permet de déduire les propriétés de l'objet central par la masse. De même, s'il existait une corde cosmique entre la galaxie lointaine et nous, l'image serait déformée, mais la distorsion produite par les cordes et celle provoquée par toute autre masse sont différentes. Dans le cas de l'effet normal de la lentille gravitationnelle (produite par des objets astrophysiques à haute masse comme des ensembles de galaxies), de nombreuses images d'un seul objet distant apparaîtront, généralement sous forme d'anneau ou d'arc. Dans le cas de l'effet de la lentille gravitationnelle qui produira les cordes, plusieurs images de l'objet distant seront également produites, mais, contrairement à l'autre cas, toutes les images auront le même aspect, comme si elles étaient répétées.

C'est ce qu'ils ont vu en observant l'objet appelé CSL-1 (Capodimonte-Stenberg-Lens, 1ère candidate) : deux galaxies très similaires entre elles. Pour expliquer un objet de ce type, il n'existe que deux possibilités : l'effet de la lentille gravitationnelle produite par une corde cosmique (donc deux images égales d'une seule galaxie), ou que deux galaxies aux propriétés très similaires (aussi bien en photométrie que en spectroscopie) soient réunies (de notre point de vue). Les deux options sont très peu probables et pour connaître la réponse réelle, des observations plus précises ont été faites. Lorsque le télescope Hubble a observé le CSL-1, il a observé que les deux images n'étaient pas exactement les mêmes. Il ne s'agissait pas d'une corde, mais de deux galaxies similaires. L'équipe qui a trouvé le CSL-1 cherche toujours plus d'objets de ce type, espérant trouver une corde.

L'objet CSL-1 était candidat à la corde cosmique. Quand ils ont observé avec le télescope Hubble (en haut à droite) ils ont vu qu'ils étaient deux galaxies contiguës, pas l'effet d'une corde cosmique.

(Photo: M. Sazhin et al.)

L'autre possibilité que nous avons mentionné est la CMB, le rayonnement micro-ondes de fond. Le CMB est très homogène, mais il a quelques anisotropes, quelques granules. Ces grains, bien que petits, ont été mesurés dans des expériences cosmologiques. On connaît le paradigme qui explique très bien les anisotropes: l'inflation. Selon l'inflation, l'univers a augmenté de façon exponentielle à court terme. Mais il peut aussi être la formation de cordes cosmiques à la fin de l'inflation. En déplaçant les cordes dans l'univers, ils provoqueront des perturbations et attireront la matière. Ces perturbations formeront aussi des anisotropes, en plus des anisotropes générées par l'inflation. S'il y avait des cordes cosmiques, nous pourrions mesurer ces perturbations "supplémentaires" générées dans le CMB et détecter indirectement les cordes.

Les anisotropes de cmb qui génèreraient les cordes cosmiques peuvent être simulées par des superordinateurs et comparées aux anisotropes de température de CMB mesurées par des expériences cosmologiques. Prenons les meilleures données cosmologiques disponibles, comme celles fournies par WMAP. En utilisant des modèles d'inflation, essayons de régler les données le mieux possible. Maintenant, compte tenu également des perturbations supplémentaires générées par les cordes, nous ajusterons également les données. Par cette analyse, les expériences numériques nous disent que si nous prenons en compte les cordes cosmiques nous pouvons mieux expliquer les données. Nous ne pouvons pas dire avec certitude que nous avons trouvé des cordes. De plus, avec d'autres données cosmologiques (en plus du CMB), l'existence de cordes n'est pas si évidente. Nous avons besoin de données nouvelles et plus précises. Peut-être que nous aiderons le satellite Planck qui a décollé en mai. Planck mesurera le CMB avec une grande précision, à la fois l'anisotropie de température et l'anisotropie de polarisation. D'autres expériences réaliseront également de nouvelles mesures.

Satellite Planck. Les données recueillies peuvent aider à confirmer la théorie des cordes cosmiques.

ESA

Mais en tout cas, avec les données actuelles, nous pouvons affirmer que les données ne disent pas qu'il n'y a pas de cordes. Et la simple détection de cordes est très importante. Si les nouvelles données indiquent clairement que les cordes ne sont pas formées, nous devrons écarter certains modèles cosmologiques et peut-être créer de nouveaux modèles. D'autre part, si nous pouvons observer les cordes, nous verrons les reliques de l'univers nouveau-né, une occasion unique de voir comment était l'univers nouveau-né.

Cordes cosmiques et supercordes

En principe, ces deux objets n'ont aucune relation, mais le nom. Les deux sont des "cordes", car les deux sont unidimensionnelles, mais ce sont des objets totalement différents.

Les supercordes font partie d'une théorie. Pour décrire la physique à haute énergie, nous avons un modèle standard, et la théorie est vraiment réussie. Cependant, nous ne savons pas unifier le modèle standard avec la théorie de la gravité, ou bien en utilisant d'autres mots : nous n'avons pas la théorie quantique de la gravité. Eh bien, la théorie des supercordes est celle qui a le meilleur avenir pour obtenir cette «théorie de tout».

Dans le modèle standard, les particules sont ponctuelles, par exemple, si nous imaginons que l'électron est une sorte de "bille". Dans la théorie des supercordes, au contraire, les composants de base sont des objets unidimensionnels, pas des objets ponctuels. Ce sont les supercordes et, comme composantes de la gravité quantique, elles sont très petites (~10 -33 cm). Les particules normales connues (électron, etc.) seraient les vibrations de ces supercordes.

Il y a plusieurs théories des supercordes ; la théorie des supercordes n'est pas la seule. Mais toutes les théories ont besoin de dimensions supplémentaires pour être mathématiquement solides; nos 3+1 dimensions quotidiennes (3 dimensions spatiales + temps) ne suffisent pas. Selon le modèle, ils ont besoin de 10 ou 26 dimensions.

A gauche, représentation de supercordes. À droite, cordes cosmiques. Dans le nom ont le plus grand rapport, car ils sont des objets totalement différents.

(Photo: Jean Fran ois Colonna/N. Bevis)

Les cordes cosmiques, en revanche, ne sont pas des éléments de base de la théorie, mais les conséquences des transitions de phase qui se produisent dans les théories des champs. Différentes théories physiques prédisent des transitions de phase et les cordes cosmiques sont des erreurs topologiques qui se forment dans les transitions de phase cosmologiques. Les erreurs peuvent avoir plusieurs dimensions : les dimensions 0 sont appelées monopoles ; les dimensions unidimensionnelles, corde ; les dimensions bidimensionnelles, paroi de domaine.

Comme nous l'avons dit, les cordes cosmiques ne sont pas des structures de base, mais elles sont formées par quelque chose de basique. En général, comme ils apparaissent dans les théories des champs, ils seront configurés par des domaines. Par exemple, on peut imaginer une corde cosmique "conventionnelle" comme un tube portant un champ magnétique. En général, les cordes cosmiques sont très longues et nos dimensions 3+1 sont suffisantes pour elles, car elles apparaissent dans des théories zonales "normales".

En utilisant l'analogie aquatique du texte, les cordes cosmiques seraient les fleuves d'eau restés dans la glace ; les lignes d'eau liquide. Les supercordes seraient les composants qui forment l'eau, et les atomes d'eau, sur glace et dans l'eau liquide, seraient les vibrations des supercordes de base. C'est-à-dire que les structures de base qui forment notre univers aquatique (les atomes d'eau) sont des supercordes ; les erreurs que génère cet univers en passant du liquide à la glace (les fleuves d'eau liquide pris dans la glace) sont des cordes cosmiques.

Cependant, la situation est un peu plus compliquée. Si la théorie des supercordes est la "théorie de tout", nous pouvons l'utiliser pour expliquer la cosmologie. Si nous expliquons la cosmologie avec des supercordes, nous verrons que des transitions de phase se produisent. Et dans ces transitions, il est possible que des objets longs unidimensionnels apparaissent. Par conséquent, les cordes cosmiques non seulement émergent dans les théories des champs, mais peuvent aussi apparaître dans les théories des supercordes: Nous avons des supercordes cosmiques !

Les physiciens voudraient vérifier si la théorie des supercordes est la véritable théorie qui apparaît dans la nature, mais ce n'est pas facile (même si nous savons que les cordes cosmiques peuvent être observées à travers le CMB). Imaginons, cependant, que par des expériences cosmologiques nous trouvons des cordes cosmiques. Imaginons aussi que nous savons exactement que les perturbations provoquées par les cordes cosmiques "normales" et les supercordes cosmiques sont différentes et que nous savons les différencier. Donc, pour la première fois, nous étudierions directement la théorie des supercordes. C'est imaginer beaucoup et nous devons encore faire beaucoup de travail, théoriquement et expérimentalement. Mais cela peut vraiment être une occasion parfaite de voir de plus près la "théorie de tout".