L'Observatoire nord-américain de nanohertz pour les ondes gravitationnelles (NANOGrav) est un détecteur d'ondes gravitationnelles qui surveille les zones à proximité de la Terre à l'aide d'un réseau de pulsars (c. étoiles ressemblant à des horloges). Fin 2020, la collaboration NANOGrav a recueilli des preuves de fluctuations dans les données temporelles de 45 pulsars, qui pourrait être compatible avec un signal de fond d'onde gravitationnelle stochastique (SGWB) à des fréquences nanohertz.

Ces ondes gravitationnelles pourraient potentiellement être liées aux fusions de trous noirs extrêmement massifs. Des équipes de physiciens théoriciens du monde entier, cependant, ont fourni des explications alternatives pour les ondes gravitationnelles observées par NANOGrav. Certains groupes ont suggéré qu'ils pourraient avoir été produits par des filaments superdenses connus sous le nom de cordes cosmiques, tandis que d'autres ont émis l'hypothèse qu'ils auraient pu être générés lors de la naissance des trous noirs primordiaux.

Une interprétation de la chaîne cosmique des données NANOGrav

John Ellis et Marek Lewicki, deux chercheurs du King's College de Londres et de l'Université de Varsovie, a récemment proposé une interprétation théorique des cordes cosmiques des nouvelles données NANOGrav. Ils ont montré que le signal SGWB que NANOGrav a pu observer pourrait être produit par un réseau de cordes cosmiques nées dans l'univers primitif. Les chercheurs ont émis l'hypothèse que ce réseau évoluerait à mesure que l'univers s'étendrait, produisant des boucles fermées lorsque les cordes entrent en collision. Ces boucles se désintégreraient alors lentement en ondes gravitationnelles, résultant en le signal détecté par NANOGrav.

"Nous avons montré que les cordes cosmiques s'adaptent très bien au signal NANOGrav, légèrement mieux que la source alternative possible de binaires de trous noirs supermassifs, " Ellis et Lewicki ont dit. " De plus, nous avons montré que notre hypothèse sera simple à tester dans les futurs observatoires d'ondes gravitationnelles tels que LISA."

"Notre recherche est basée sur des années de travail de nombreux groupes qui ont rendu possible des calculs précis du signal d'onde gravitationnelle produit par les cordes cosmiques, " Ellis et Lewicki ont déclaré à Phys.org. " Nous sommes passés à l'action dès que nous avons appris les nouvelles données prometteuses de la collaboration NANOGrav, pour vérifier à quel point un réseau de cordes cosmiques serait un bon candidat pour expliquer les données."

L'article d'Ellis et Lewicki souligne que l'histoire de l'expansion de l'univers est également codée dans le signal. En effet, le réseau de cordes cosmiques qu'ils décrivent émettrait un signal tout au long de l'histoire de l'univers et toutes les caractéristiques de l'expansion de l'univers laisseraient une empreinte correspondante sur le spectre du signal qui pourrait ensuite être sondé par les futurs détecteurs.

"Grâce à la force du signal nécessaire pour expliquer les données NANOGrav, cela permettrait de sonder l'histoire de l'univers à des temps beaucoup plus tôt qu'on ne le pensait auparavant, justifiant une étude plus approfondie, " Ellis et Lewicki ont déclaré. " Nous travaillons actuellement vers AION et AEDGE, qui sont de nouvelles expériences proposées qui pourraient à l'avenir sonder une autre partie de l'histoire de l'univers que NANOGrav ou LISA, et potentiellement tester notre interprétation des données NANOGrav."

Le signal NANOGrav comme première preuve des cordes cosmiques

Parallèlement aux travaux d'Ellis et Lewicki, des chercheurs du Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) et du CERN ont également tenté de démontrer théoriquement que les ondes gravitationnelles des cordes cosmiques sont une explication bien motivée et parfaitement viable du signal de synchronisation du pulsar détecté par NANOGrav. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , s'appuie sur un certain nombre d'études antérieures dans le domaine de l'astronomie des ondes gravitationnelles.

« Depuis la détection révolutionnaire des ondes gravitationnelles par LIGO en 2015, le domaine de l'astronomie des ondes gravitationnelles a continué de progresser à un rythme impressionnant, " Kai Schmitz du CERN, l'un des auteurs de l'article, dit Phys.org. "Jusqu'à présent, tous les signaux observés ont été causés par des événements astrophysiques tels que les fusions de trous noirs binaires. Ces événements sont appelés « transitoires » et ne conduisent qu'à des signaux de courte durée dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles. La prochaine grande étape de l'astronomie des ondes gravitationnelles va donc être la détection d'un « arrière-plan » stochastique d'ondes gravitationnelles, un signal constamment présent, nous atteindre de toutes les directions dans l'espace."

La détection de signaux gravitationnels « de fond » pourrait être associée à une plus grande variété de phénomènes astrophysiques et cosmologiques, allant des fusions binaires aux événements qui ont eu lieu dans l'univers primitif. Remarquablement, un tel signal SGWB pourrait également être l'équivalent en ondes gravitationnelles du signal de fond diffus cosmologique (CMB), qui est essentiellement la rémanence du Big Bang en rayonnement électromagnétique et aux fréquences micro-ondes.

"En tant que physiciens des particules, nous nous intéressons particulièrement aux contributions primordiales à la SGWB, qui promettent de coder une mine d'informations sur la dynamique de l'univers primitif et donc la physique des particules aux plus hautes énergies, " Schmitz a dit. " Les sources possibles d'ondes gravitationnelles primordiales pourraient être l'inflation cosmique, transitions de phase dans la structure du vide de l'univers primitif et des cordes cosmiques. Dans nos précédents projets, nous avions déjà exploré ces trois possibilités."

Dans leur étude récente, Schmitz et ses collègues de MPIK Simone Blasi et Vedran Brdar ont émis l'hypothèse que les données de synchronisation des pulsars collectées par NANOGrav pourraient être la première preuve de cordes cosmiques. Les cordes cosmiques sont théorisées comme les vestiges de transitions de phase à des énergies extrêmement élevées, peut-être proche de l'échelle énergétique de la grande unification (c'est-à-dire, les énergies auxquelles toutes les forces subatomiques de la nature devraient s'unifier en une force commune).

"Dans ce cas, il est peu probable que la transition de phase donnant naissance aux cordes cosmiques conduise à un signal observable dans les ondes gravitationnelles elles-mêmes, soit parce qu'il ne produit tout simplement aucun signal appréciable, soit parce que le signal est situé à un niveau haut, fréquences inobservables, " dit Schmitz. " Cordes cosmiques, cependant, les restes de la transition de phase, avoir une chance de produire un grand signal dans les ondes gravitationnelles qui, si détecté, peut nous renseigner sur les symétries et les forces qui ont gouverné l'univers pendant les premiers instants de son existence."

Autrefois, les physiciens ont proposé un certain nombre de modèles théoriques qui spéculent sur les types de nouvelle physique qui pourraient donner naissance à un réseau de cordes cosmiques dans l'univers primitif. Dans certaines de leurs études antérieures, Schmitz, Blasi et Brdar se sont spécifiquement concentrés sur l'idée que les cordes cosmiques pourraient être liées à l'origine des masses de neutrinos et à l'asymétrie cosmique entre la matière et l'antimatière.

"Cette connexion entre les ondes gravitationnelles, les cordes cosmiques et le mécanisme dit à bascule, la réalisation la plus étudiée de la génération de masse de neutrinos, a été exploré dans de nombreuses études, à la fois par nous et d'autres équipes, " a déclaré Schmitz. " Les cordes cosmiques de ce type sont appelées " cordes cosmiques B-L, " car ils résultent d'une transition de phase cosmologique qui conduit à la violation de la symétrie BL (B moins L); où BL représente la différence du nombre de baryons (B) et de lepton (L). La symétrie BL joue un rôle important dans la bascule mécanisme; seule la "rupture" de cette symétrie dans l'univers primitif ouvre la voie à un état physique de l'univers dans lequel les neutrinos peuvent acquérir de la masse via le mécanisme de bascule."

Schmitz et ses collègues ont déjà théorisé sur les ondes gravitationnelles qui pourraient provenir des cordes cosmiques B-L dans un article publié en 2020. Dans ce travail précédent, ils se sont spécifiquement concentrés sur le spectre des ondes gravitationnelles à des fréquences plus élevées, explorer la possibilité de sonder des coins spéciaux de l'espace des paramètres qui sont pertinents du point de vue du mécanisme de bascule.

« Quand nous avons entendu parler pour la première fois du nouveau résultat NANOGrav, nous étions tout à fait prêts à comparer nos prédictions pour un signal d'ondes gravitationnelles induit par une corde cosmique au signal des données NANOGrav, " a déclaré Schmitz. "Nous avons donc immédiatement commencé à calculer le spectre des ondes gravitationnelles à partir de cordes cosmiques dans la gamme de fréquences nanohertz. Contrairement à notre analyse d'avril 2020, nous ne nous concentrons plus sur les cordes cosmiques B-L, mais considérés comme des cordes cosmiques dans un sens plus général, restant agnostique sur les détails de leur origine à très hautes énergies."

Dans leur étude récente, Schmitz, Blasi et Brdar ont voulu montrer que le signal observé par NANOGrav pouvait refléter les ondes gravitationnelles produites par les cordes cosmiques. De plus, ils ont essayé de cartographier toute la région viable dans l'espace des paramètres de la chaîne cosmique qui permettrait d'ajuster les données.

"Maintenant, il est important de rester prudent, car il n'est même pas encore clair si NANOGrav a réellement détecté un fond d'ondes gravitationnelles, " Schmitz a dit. " A cette fin, il est d'abord nécessaire de détecter un motif de corrélation spécifique parmi les résidus de synchronisation des pulsars individuels. Ce modèle peut être représenté sous forme de graphique montrant la corrélation entre les paires de pulsars en fonction de l'angle séparant deux pulsars dans le ciel ; ce graphique est la fameuse courbe de Hellings-Downs."

Afin de confirmer que le signal détecté par NANOGrav provient des ondes gravitationnelles, les physiciens devraient d'abord montrer qu'il est conforme à la courbe de Hellings-Downs. Bien que les données semblent assez conformes à cette interprétation, les chercheurs doivent encore rassembler des preuves suffisantes du modèle Helling-Downs émergeant dans les données. Etudes en cours et à venir, cependant, pourrait finalement vérifier la validité du signal de synchronisation du pulsar NANOGrav et mesurer certaines de ses propriétés avec une meilleure précision. Mesurer les propriétés du signal NANOGrav (par exemple, si elle monte/baisse en fonction de la fréquence et, si c'est le cas, à quelle vitesse il monte/baisse) pourrait aider à déterminer ses sources possibles.

"Tout ce que nous pouvons dire, c'est que, maintenant, les ondes gravitationnelles des cordes cosmiques sont une explication parfaitement viable du signal, " Schmitz a déclaré. "Les cordes cosmiques entraînent la bonne amplitude A du signal; ils conduisent à un indice spectral gamma parfaitement cohérent avec les bornes NANOGrav sur ce paramètre; et les valeurs gamma prédites sont même légèrement (mais seulement un peu) meilleures en accord avec les données que la valeur gamma =13/3 prédite par les binaires de trous noirs supermassifs."

Globalement, l'étude menée par Schmitz, Blasi et Brdar démontrent théoriquement que les cordes cosmiques pourraient être une explication viable du signal NANOGrav. De plus, les chercheurs ont montré que l'interprétation de la corde cosmique fonctionne pour une large gamme des deux paramètres de la corde cosmique sur lesquels ils se sont concentrés dans leur article :la tension de la corde cosmique Gmu et la taille de la boucle de la corde cosmique alpha.

"Cela rend l'interprétation des cordes cosmiques flexible et ouvre de nombreuses possibilités concernant l'origine possible des cordes cosmiques, " expliqua Schmitz. " De grosses boucles avec une petite tension peuvent expliquer le signal, des boucles plus petites avec une tension un peu plus grande peuvent expliquer le signal, etc."

En plus de démontrer théoriquement que le signal NANOGrav pourrait refléter des cordes cosmiques, les chercheurs ont montré que les futures expériences d'ondes gravitationnelles à des fréquences plus élevées sonderont un grand espace de paramètres viable. Cette découverte suggère que les ondes gravitationnelles des cordes cosmiques peuvent être une référence idéale pour l'astronomie des ondes gravitationnelles multifréquences.

"Contrairement à de nombreuses autres explications du signal NANOGrav, nous prédisons que les cordes cosmiques conduiront également à un signal qui sera observé dans les expériences spatiales et au sol de nouvelle génération, " a déclaré Schmitz. " Cet aspect de notre interprétation met en évidence la complémentarité de ces mesures aux basses et hautes fréquences. Une détection positive à hautes fréquences permettra notamment de reconstituer l'histoire de l'expansion de l'univers primitif."

Le paramètre Gmu, caractérisant la tension de la corde cosmique, ou énergie par unité de longueur, peut être traduit en une estimation de l'échelle d'énergie à laquelle les cordes cosmiques se sont supposément formées dans l'univers primitif. Les valeurs Gmu que Schmitz et ses collègues ont trouvées dans leur analyse indiquent une échelle d'énergie allant de 10 ¹⁴ à 10 ¹⁶ GeV.

"Ce sont des valeurs typiques que l'on rencontre également dans les grandes théories unifiées (GUT) qui décrivent l'unification des forces subatomiques à très hautes énergies, " expliqua Schmitz.

"Nos résultats sont donc cohérents avec l'idée de grande unification et la rupture de certaines symétries dans l'univers primitif qui aboutit à la création d'un réseau de cordes cosmiques."

Si les analyses théoriques menées par cette équipe de chercheurs sont très éclairantes, il est important de noter que les modèles du signal des ondes gravitationnelles qui seraient produits à partir des cordes cosmiques sont associés à certaines incertitudes théoriques. Par exemple, deux des approches les plus largement utilisées pour étudier la dynamique des cordes cosmiques dans des simulations informatiques à grande échelle, à savoir les approches « cordes Nambu-Goto » et « cordes abéliennes de Higgs », ne conduisent pas toujours aux mêmes résultats.

« Dans notre travail, nous utilisons des simulations de cordes Nambu-Goto, " a ajouté Schmitz. " A long terme, il serait intéressant de résoudre le décalage entre ces deux approches, lequel, cependant, est une tâche très difficile. En attendant, nous prévoyons donc de procéder par étapes plus petites et d'améliorer successivement la description Nambu-Goto des cordes cosmiques."

Dans l'approximation Nambu-Goto, les cordes cosmiques sont plus ou moins sans caractéristiques, car ils sont décrits comme des objets unidimensionnels qui transportent une certaine quantité d'énergie par unité de longueur.

Cette représentation pourrait ne pas refléter réellement les propriétés des cordes cosmiques dans des scénarios réels.

"Les cordes cosmiques peuvent effectivement transporter un courant électrique, ils peuvent perdre de l'énergie via l'émission de particules élémentaires en plus de l'émission d'ondes gravitationnelles, etc., " Schmitz a dit. " Dans nos prochaines études, nous prévoyons donc de rendre compte de ces raffinements étape par étape et d'étudier comment ces aspects plus sophistiqués peuvent se manifester dans le spectre des ondes gravitationnelles. À la fois, nous ne pensons pas que ces raffinements renverseront notre interprétation de la chaîne cosmique du signal NANOGrav."

Les données NANOGrav comme indication des trous noirs primordiaux

Certains chercheurs ont également proposé des explications pour les données NANOGrav qui ne voient pas le signal dans le contexte des cordes cosmiques. Par exemple, une équipe de l'Université de Genève a suggéré qu'un tel signal SGWB pourrait également être généré par la formation de trous noirs primordiaux à partir des perturbations générées lors de l'expansion de l'univers.

"Nous avons fourni une interprétation possible du signal à spectre commun, comme induit par les ondes gravitationnelles générées dans l'univers primitif en relation avec la naissance des trous noirs primordiaux, qui sont des trous noirs formés aux premières époques de l'évolution de l'univers, " Antonio Riotto, Valerio De Luca et Gabriele Franciolini, les trois chercheurs qui ont mené l'étude, a dit à Phys.org par e-mail. "Les trous noirs primordiaux avec des masses non loin de la masse typique des astéroïdes peuvent comprendre la totalité de la matière noire dans l'univers et, leur processus de formation laisse derrière eux un arrière-plan stochastique d'ondes gravitationnelles qui expliquent les données NanoGrav."

Selon Riotto, De Luca et Franciolini, l'idée que toute la matière noire de l'univers est constituée de trous noirs primordiaux et le fait que leur formation devrait laisser derrière eux un signal SGWB similaire à celui détecté par NANOGrav peut sembler sans rapport, pourtant, ils pourraient être connectés de manière intéressante. Par exemple, si les trous noirs primordiaux constituaient la totalité de la matière noire dans l'univers, il ne serait pas nécessaire de trouver des explications spéculatives pour décrire ou expliquer l'existence de la matière noire, car il serait en fait composé de matière « ordinaire », que les physiciens connaissent déjà.

"En effet, si la matière noire est constituée de trous noirs primordiaux, on n'aurait pas besoin d'invoquer quelques explications spéculatives pour expliquer la matière noire :les trous noirs primordiaux sont, En réalité, fait de la même matière ordinaire que nous connaissons, " ont expliqué les chercheurs. " Notre étude fournit une explication économique du signal détecté par la collaboration NANOGrav avec une connexion élégante à la quête de la matière noire, qui pourrait être approfondi à l'aide de futures expériences d'ondes gravitationnelles comme LISA, un interféromètre spatial."

Le signal de fond des ondes gravitationnelles que De Luca, Franciolini et Riotto ont prédit qu'ils seraient produits par des trous noirs primordiaux qui pourraient bientôt être sondés dans d'autres gammes de fréquences (par exemple, autour des fréquences milliHertz). Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient ainsi de rechercher des preuves de l'existence de trous noirs primordiaux générés dans l'univers primitif en analysant de nouvelles données d'ondes gravitationnelles à d'autres fréquences.

"En particulier, nous souhaitons faire des prédictions sur la quantité d'ondes gravitationnelles qui seront détectées dans les futures expériences, comme LISA ou le télescope européen Einstein, un détecteur souterrain, détectera, " the researchers said.

In the near future, the NANOGrav collaboration will try to confirm the validity of the signal it detected. Pendant ce temps, theoretical physicists worldwide are still working on numerous interesting theories that could explain the nature of this signal. The papers published by these teams at Max-Planck-Institut für Kernphysik, CERN, King's College London, the University of Warsaw and the Université de Genève offer particularly noteworthy interpretations that could be confirmed or refuted by future studies.

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