Suite au Big Bang, l’Univers a subi plusieurs transitions de phase ayant entraîné des brisures de symétrie des lois physiques. Selon certains modèles cosmologiques, certaines de ces brisures de symétrie auraient entraîné la formation de structures cosmiques particulières au point de rencontre de régions instables de l’Univers ; ces structures sont appelées des défauts topologiques, et les cordes cosmiques en font partie. Les cosmologistes pensaient initialement que des signatures de ces structures énergétiques linéiques pourraient être détectées dans le fond diffus cosmologique. Cependant, récemment, des physiciens ont montré que ces signatures seraient trop faibles pour que leur détection soit possible.

Les cordes cosmiques sont des objets difficiles à imaginer, selon Oscar Hernández, physicien à l’Université McGill de Montréal. « Avez-vous déjà marché sur un lac gelé ? Avez-vous remarqué des fissures dans la glace ? Elle est encore assez solide, mais fissurée » déclare-t-il. Ces fissures se forment par un processus de transition de phase similaire à celui des cordes cosmiques.

Des défauts topologiques prévus par la physique au-delà du Modèle Standard

Les points de rencontre imparfaits à la surface d’un lac gelé forment de longues fissures. Dans la structure où l’espace et le temps se croisent, ils forment des cordes cosmiques, si la physique sous-jacente est correcte.

Les chercheurs croient que dans l’espace, certains champs déterminent le comportement des forces et des particules fondamentales. Les premières phases de transition de l’Univers ont donné naissance à ces champs. Aujourd’hui, ces points de rencontre entre champs apparaîtraient sous forme de lignes infiniment minces d’énergie à travers l’espace.

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Plusieurs simulations ont montré, si elles existent bien, la répartition des cordes cosmiques au cours de l’évolution de l’Univers. Ces défauts topologiques sont prévus par de nombreux modèles théoriques. Crédits : Nature

La plupart des physiciens pensent que le modèle standard est incomplet. « De nombreuses extensions du modèle standard mènent naturellement à des cordes cosmiques après l’inflation. Donc, ce que nous avons est un objet qui est prédit par de très nombreux modèles. Par conséquent, s’ils n’existent pas, tous ces modèles sont exclus ».

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Cordes cosmiques : elles seraient impossibles à détecter dans le fond diffus cosmologique

Hernández et Razvan Ciuca, du Collège Marianopolis de Westmount, au Québec, avaient déjà affirmé qu’un réseau de neurones convolutifs — un puissant type de logiciel de recherche de motifs — constituerait le meilleur outil pour repérer les preuves des cordes dans le CMB.

En supposant une carte parfaite et sans bruit du CMB, ont-ils écrit dans un article séparé en 2017, un ordinateur utilisant ce type de réseau de neurones devrait pouvoir trouver des cordes cosmiques même si leur niveau d’énergie (ou « tension ») est remarquablement bas.

Mais, dans ce nouvel article publié sur le serveur arXiv, ils ont montré qu’en réalité, il est presque impossible de fournir suffisamment de données CMB propres pour que le réseau de neurones détecte ces cordes potentielles. D’autres sources de micro-ondes plus lumineuses obscurcissent le CMB et sont difficiles à démêler complètement. Même les meilleurs instruments à micro-ondes sont imparfaits, avec une résolution limitée et des fluctuations aléatoires de la précision de l’enregistrement d’un pixel à l’autre.

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Ils ont constaté que tous ces facteurs, et plus, ajoutaient à un niveau de perte d’informations qu’aucune méthode actuelle ou planifiée d’enregistrement et d’analyse du CMB ne pourrait jamais surmonter. Cette méthode de chasse aux cordes cosmiques est donc une impasse. Cela ne veut pas dire que tout est perdu, cependant.

Une nouvelle méthode de détection des cordes cosmiques

Une nouvelle méthode basée sur des mesures de l’expansion de l’univers dans toutes les directions, dans des parties anciennes de l’Univers, pourrait fonctionner. Cette méthode — appelée cartographie d’intensité à 21 centimètres — ne repose pas sur l’étude des mouvements de galaxies individuelles ni sur des images précises du CMB.

Au lieu de cela, elle est basée sur des mesures de la vitesse à laquelle les atomes d’hydrogène s’éloignent de la Terre, en moyenne, dans toutes les parties de l’espace lointain. Cette méthode devrait pouvoir fournir des données suffisamment contraintes pour relancer la traque aux cordes cosmiques.

Sources : arXiv

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