D’un point de vue gravitationnel, l’univers est un endroit bruyant. Un mélange d'ondes gravitationnelles provenant de sources inconnues circule de manière imprévisible dans l'espace, y compris peut-être en provenance de l'univers primitif.

Les scientifiques ont recherché des signes de ces premières ondes gravitationnelles cosmologiques, et une équipe de physiciens a maintenant montré que ces ondes devraient avoir une signature distincte en raison du comportement des quarks et des gluons lorsque l'univers se refroidit. Une telle découverte aurait un impact décisif sur les modèles décrivant le mieux l’univers presque immédiatement après le Big Bang. L'étude est publiée dans la revue Physical Review Letters. .

Les scientifiques ont découvert pour la première fois des preuves directes de l’existence d’ondes gravitationnelles en 2015 grâce aux interféromètres à ondes gravitationnelles LIGO aux États-Unis. Il s’agit d’ondes singulières (bien que d’amplitude minuscule) provenant d’une source particulière, telle que la fusion de deux trous noirs, qui balayent la Terre. De telles ondes provoquent un changement de longueur infime (mais différent) des bras perpendiculaires de 4 km des interféromètres, la différence étant détectée par les changements dans le motif d'interférence résultant lorsque les faisceaux laser se déplacent d'avant en arrière dans les bras du détecteur.

Mais il existe également des ondes gravitationnelles plus petites, si nombreuses qu’elles ressemblent à du bruit. Les scientifiques ont recherché avec diligence au milieu de ce bruit le fond d’ondes gravitationnelles stochastiques (stochastique signifie déterminé de manière aléatoire, c’est-à-dire imprévisible). Mais ces ondes gravitationnelles plus petites sont plus difficiles à détecter, et les scientifiques se sont tournés vers des réseaux de pulsars millisecondes, dans lesquels la distance entre la Terre et un pulsar éloigné correspond à la longueur effective du bras de l'interféromètre.

Les pulsars – étoiles à neutrons en rotation – envoient des faisceaux de rayonnement, quelques-uns dans une direction telle que le faisceau balaie la Terre, comme le faisceau d'un phare en rotation. Les pulsars ont une période de révolution extrêmement stable, et toute mesure de cette synchronisation d'horloge serait subtilement modifiée par le passage d'une myriade d'ondes gravitationnelles plus petites qui ont des longueurs d'onde de plusieurs années-lumière.

L'année dernière, la collaboration NANOgrav a publié des preuves de l'existence de ces ondes gravitationnelles stochastiques à basse fréquence dans le fond de l'espace-temps, comme l'ont fait d'autres groupes. Mais quelle est leur source ? La toile de fond provient-elle de phénomènes astrophysiques, tels que des centaines de milliers de trous noirs supermassifs en fusion, de supernovae, etc. ?

Peut-être que le fond est originaire du premier univers et que ses ondes se propagent depuis, semblable au fond cosmique des micro-ondes qui remplit tout l’espace en raison du découplage des photons des électrons 380 000 ans après le Big Bang. Ou autre chose ?

Distinguer les scénarios est confronté à des défis. La compréhension actuelle de la physique des trous noirs supermassifs n’est pas encore suffisamment développée pour tirer des conclusions définitives. Et le spectre continu des ondes gravitationnelles de fond dépend des détails microscopiques de leur source et nécessite des simulations numériques détaillées.

Ce nouveau travail permet de distinguer les premières ondes de l’univers de celles provenant d’autres sources. Le modèle physique standard – les théories réussies des interactions fortes, faibles et électromagnétiques – devrait laisser une empreinte distincte sur le fond mesuré, indépendante du modèle exact de l'univers primitif choisi.

Au fur et à mesure que l’univers se refroidissait depuis le moment initial du Big Bang, il est passé par différentes phases. L'un mentionné ci-dessus est le découplage des photons après 380 000 ans, lorsque l'univers est devenu suffisamment froid pour que les électrons puissent se lier aux protons et former des atomes d'hydrogène, laissant les photons soudainement à la dérive.

Mais il y a eu une transition antérieure, ou croisement, lorsque les quarks et les gluons libres, qui avaient formé un plasma quark-gluon, se sont fusionnés en particules individuelles de deux ou plusieurs quarks collés ensemble en raison de la force forte, avec des gluons piégés avec eux.

Ce « croisement de la chromodynamique quantique (QCD) » devrait s'être produit lorsque l'univers avait une température d'environ un billion de Kelvin, soit environ 10 ^-5 . quelques secondes après le Big Bang. Cela correspond à une énergie d'environ 100 MeV. (QCD est la théorie de la force forte.)

Il s’avère que les fréquences nanohertz sondées par les réseaux de synchronisation de pulsars sont du même ordre que les ondes gravitationnelles stochastiques basse fréquence observables en arrière-plan. Le croisement ne crée pas les ondes, mais la chute soudaine du nombre de particules libres modifie l'équation qui régit l'état de l'univers. Les sources d'ondes gravitationnelles avant le croisement QCD produisent un signal basse fréquence qui est affecté par ce changement d'équation d'état. Les chercheurs affirment que ce signal peut désormais être recherché dans les données du réseau de synchronisation des pulsars.

"Nous pensons qu'une caractérisation précise du fond d'ondes gravitationnelles pour différentes origines est une étape cruciale pour avancer dans cette exploration", a déclaré Davide Racco, co-auteur de l'article de l'Institut de physique théorique de l'Université de Stanford.

"Nous mettons en évidence une caractéristique générique et inévitable pour un large éventail de phénomènes primordiaux que nous prouvons être un ingrédient utile pour distinguer les différentes sources de l'arrière-plan."

Un tel résultat serait un impact surprenant des subtilités de la physique quantique sur l'univers que nous voyons aujourd'hui, démontrant une fois de plus comment la physique des particules et la cosmologie se rencontrent sur le même terrain.

Plus d'informations : Gabriele Franciolini et al, Empreintes du croisement QCD sur les ondes gravitationnelles cosmologiques des réseaux de synchronisation Pulsar, Lettres d'examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.081001

Informations sur le journal : Lettres d'examen physique

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