(Phys.org)—En utilisant les données des toutes premières ondes gravitationnelles détectées l'année dernière, accompagné d'une analyse théorique, les physiciens ont montré que les ondes gravitationnelles peuvent osciller entre deux formes différentes appelées ondes gravitationnelles de type "g" et "f". Les physiciens expliquent que ce phénomène est analogue à la façon dont les neutrinos oscillent entre trois saveurs distinctes :électron, muon, et tau. Les ondes gravitationnelles oscillantes apparaissent dans une théorie modifiée de la gravité appelée gravité bimétrique, ou « bigravité », " et les physiciens montrent que les oscillations peuvent être détectables dans des expériences futures.

Les chercheurs, Kévin Max, doctorant à la Scuola Normale Superiore di Pisa et à l'INFN Pisa, Italie; Moritz Platscher, doctorant à l'Institut Max Planck de physique nucléaire, Allemagne; et Juri Smirnov, un post-doctorat à l'Université de Florence, Italie, ont publié un article sur leur analyse des oscillations des ondes gravitationnelles dans un récent numéro de Lettres d'examen physique .

Comme l'expliquent les physiciens, le travail peut aider à répondre à la question de savoir de quoi "les autres 95%" de l'univers sont faits, en suggérant que la réponse réside peut-être dans des modifications de la gravité plutôt que dans de nouvelles particules.

"Seul 5% de la matière est d'un type que nous pensons comprendre correctement, " Smirnov a dit Phys.org . « Pour répondre à la question de savoir de quoi est fait notre univers (« matière noire » et « énergie noire »), la plupart des auteurs discutent de modèles alternatifs de physique des particules avec de nouvelles particules. Cependant, des expériences comme celles du LHC [Large Hadron Collider] n'ont détecté aucune particule exotique, encore. Cela soulève la question de savoir si le côté gravitationnel doit être modifié.

« Dans notre travail, on se demande quels signaux on peut attendre d'une modification de la gravité, et il s'avère que la bigravité présente un tel signal unique et peut donc être discriminée des autres théories. La détection récente d'ondes gravitationnelles par LIGO [Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory] nous a ouvert une nouvelle fenêtre sur les secteurs sombres de l'univers. Que la Nature ait choisi la relativité générale, la gravité, ou toute autre théorie est une question différente à la fin. Nous ne pouvons étudier que les signaux possibles que les expérimentateurs doivent rechercher."

Deux gravitons au lieu d'un

Actuellement, la meilleure théorie de la gravité est la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui utilise une seule métrique pour décrire l'espace-temps. Par conséquent, les interactions gravitationnelles sont médiées par une seule particule hypothétique appelée graviton, qui est sans masse et se déplace donc à la vitesse de la lumière.

La principale différence entre la relativité générale et la bigravité est que la bigravité utilise deux métriques, g et f. Alors que g est une métrique physique et se couple à la matière, f est une métrique stérile et ne se couple pas à la matière. En gravité, les interactions gravitationnelles sont médiées par deux gravitons, dont l'un a une masse et l'autre est sans masse. Les deux gravitons sont composés de différentes combinaisons (ou superpositions) des métriques g et f, et ainsi ils se couplent à la matière environnante de différentes manières. L'existence de deux métriques (et de deux gravitons) dans le cadre de la bigravité conduit finalement au phénomène d'oscillation.

Comme l'expliquent les physiciens, l'idée qu'il pourrait exister un graviton avec une masse existe depuis presque aussi longtemps que la relativité générale elle-même.

"La théorie de la relativité générale d'Einstein prédit un médiateur (le 'graviton') des interactions gravitationnelles, qui voyage à la vitesse de la lumière, c'est à dire., qui est sans masse, " Max a dit. " À la fin des années 1930, les gens essayaient déjà de trouver une théorie contenant un médiateur qui a une masse, et se déplace ainsi à une vitesse inférieure à la vitesse de la lumière. Cela s'est avéré être une tâche très difficile et n'a été accomplie que récemment en 2010. La bigravité est une variante de ce cadre de 2010, qui n'en comporte pas un, mais deux métriques dynamiques. Un seul d'entre eux est important, l'autre non ; et une combinaison linéaire d'entre eux devient massive (plus lente que la vitesse de la lumière) tandis que l'autre est sans masse (vitesse de la lumière)."

Oscillations

Les physiciens montrent que, dans le cadre de la bigravité, à mesure que les ondes gravitationnelles sont produites et se propagent dans l'espace, ils oscillent entre les types g et f, bien que seul le type g puisse être détecté. Bien que des recherches antérieures aient suggéré que ces oscillations pourraient exister, il semblait conduire à des résultats non physiques, comme une violation de la conservation de l'énergie. La nouvelle étude montre que les oscillations peuvent théoriquement émerger dans un scénario physique réaliste lorsque l'on considère des masses de gravitons suffisamment grandes pour être détectées par les tests astrophysiques actuels.

Pour comprendre ces oscillations, les scientifiques expliquent qu'à bien des égards, ils ressemblent à des oscillations de neutrinos. Bien que les neutrinos existent en trois saveurs (électron, muon, et tau), typiquement, les neutrinos produits dans les réactions nucléaires sont des neutrinos électroniques (ou anti-neutrinos électroniques) car les autres sont trop lourds pour former une matière stable. D'une manière similaire, en bigravité seuls les g métriques couplent à la matière, donc les ondes gravitationnelles produites par les événements astrophysiques, telles que les fusions de trous noirs, sont de type g puisque les ondes gravitationnelles de type f ne se couplent pas à la matière.

"La clé pour comprendre le phénomène d'oscillation est que les neutrinos électroniques n'ont pas de masse définie :ils sont une superposition des trois états propres de masse des neutrinos, " expliqua Platscher. " Plus mathématiquement parlant, la matrice de masse n'est pas diagonale dans la base saveur (électron-muon-tau). Par conséquent, l'équation d'onde qui décrit comment ils se déplacent dans l'espace va les mélanger et donc ils « oscillent ».

« Il en est de même en bigravité :g est un mélange du graviton massif et du graviton sans masse, et donc comme l'onde gravitationnelle voyage à travers l'Univers, il oscillera entre les ondes gravitationnelles de type g et f. Cependant, nous ne pouvons mesurer le premier qu'avec nos détecteurs (qui sont faits de matière), tandis que ce dernier nous traverserait sans être vu ! Ce serait, si la bigravité est une description correcte de la Nature, laisser une empreinte importante dans le signal des ondes gravitationnelles, comme nous l'avons montré."

Comme le notent les physiciens, la similitude entre les neutrinos et les ondes gravitationnelles est valable même si l'oscillation des neutrinos est un phénomène de mécanique quantique décrit par l'équation des ondes de Schrödinger, alors que l'oscillation des ondes gravitationnelles n'est pas un effet quantique et est plutôt décrite par une équation d'onde classique.

Un effet particulier que les physiciens prédisent est que les oscillations des ondes gravitationnelles conduisent à des modulations de déformation plus importantes par rapport à celles prédites par la relativité générale. Ces résultats suggèrent une voie vers la détection expérimentale des oscillations des ondes gravitationnelles et la recherche d'un support pour la bigravité.

"Comme la bigravité est une théorie très jeune, il y a encore beaucoup à faire, et son potentiel à combler les lacunes de nos théories doit être exploré, " a déclaré Smirnov. " Il y a eu du travail dans ce sens, mais il reste certainement beaucoup à faire et nous espérons également y contribuer à l'avenir !"

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