L’étude des ondes gravitationnelles pourrait offrir un aperçu de l’Univers primitif

Des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory ont trouvé le moyen d’utiliser les ondes gravitationnelles pour remonter à la naissance de l’Univers. La façon dont ces ondulations de l’espace-temps circulent à travers le gaz et les objets du cosmos pourrait, selon eux, nous renseigner sur l’état de notre univers peu après le Big Bang.

Prédites par Albert Einstein dès 1916, les ondes gravitationnelles sont des oscillations de la courbure de l’espace-temps, dues à l’accélération ponctuelle de la matière, qui se propagent à la vitesse de la lumière dans le vide. Ces ondes sont produites par des événements cosmiques spectaculaires, tels que la collision de trous noirs ou d’étoiles à neutrons de systèmes binaires, ou encore par l’explosion d’une étoile massive. Leur existence a été prouvée pour la première fois en septembre 2015, lorsque les observatoires LIGO et Virgo ont détecté l’ondulation provoquée par la fusion de deux trous noirs.

Au passage d’une onde gravitationnelle, le tissu de l’espace-temps s’étend puis se contracte successivement, ce qui va provoquer une infime variation de la distance parcourue par le laser dans les bras des interféromètres terrestres (équivalente à une fraction de la taille du noyau d’un atome !). Deux chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory ont établi des équations permettant de déduire des ondes gravitationnelles certaines propriétés cachées de corps célestes, comme des étoiles situées à plusieurs années-lumière. La technique pourrait même donner un aperçu du Big Bang et des premiers instants de l’Univers.

Une approche inspirée du processus de fusion nucléaire

Bien que hautement sensibles, les Observatoires d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser utilisés aujourd’hui ont une capacité limitée : ils ne permettent de détecter que des ondes gravitationnelles « astrophysiques », issues d’une direction bien précise et créées par des processus physiques relativement récents, tels que les fusions de trous noirs. En revanche, les ondes produites dans l’Univers primitif — à l’époque où il n’était composé que d’un plasma primordial chaud et ultra dense — sont beaucoup plus difficiles à détecter.

Deux chercheurs affirment avoir trouvé le moyen de détecter ces ondes. « Nous ne pouvons pas voir l’Univers primitif directement, mais nous pouvons peut-être le voir indirectement si nous examinons comment les ondes gravitationnelles de cette époque ont affecté la matière et le rayonnement que nous pouvons observer aujourd’hui », a déclaré Deepen Garg, spécialiste en physique des plasmas et premier auteur de l’étude présentant les résultats de cette approche.

Pour mettre au point leurs équations, Garg et son collaborateur Ilya Dodin se sont inspirés de leurs recherches sur l’énergie de fusion nucléaire — le processus qui alimente le Soleil et les étoiles et que les scientifiques tentent actuellement de reproduire en laboratoire pour créer une source d’énergie propre et quasi illimitée.

Dans le cadre de leurs recherches, ils se sont intéressés à la façon dont les ondes électromagnétiques se déplacent dans le plasma — la « soupe » de particules chargées (ions et électrons) créée à très haute température, qui alimente les réacteurs à fusion. Or, il s’avère que ce processus ressemble au mouvement des ondes gravitationnelles à travers la matière. « Nous avons essentiellement mis la machinerie des ondes du plasma au service d’un problème d’ondes gravitationnelles », explique Garg. Ils ont ainsi élaboré un modèle théorique de la façon dont les ondes gravitationnelles de l’Univers primitif interagissent avec la matière qu’elles traversent.

Remonter jusqu’au commencement du temps

Leur approche pourrait non seulement permettre de détecter des ondes gravitationnelles d’un nouveau genre, mais aussi constituer un nouveau moyen d’étudier les étoiles. Lorsque les ondes traversent la matière, elles créent une lumière dont les caractéristiques dépendent de la densité de la matière. L’analyse de cette lumière pourrait donc révéler les propriétés de cette matière, y compris s’il s’agit d’une étoile située à des millions d’années-lumière !

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De la même manière, cette technique permettrait d’en savoir plus sur les collisions d’étoiles à neutrons et de trous noirs — des objets ultra-denses qui résultent de l’effondrement gravitationnel de certaines étoiles massives. Les deux chercheurs pensent que la propagation des ondes gravitationnelles à travers la matière pourrait même potentiellement nous donner un aperçu de ce qui s’est passé pendant le Big Bang et lors des premiers instants de notre univers, il y a 14 milliards d’années.

Les deux collègues n’avaient pas immédiatement pris conscience de la portée de leurs recherches. « Mais une fois que nous avons commencé à creuser le sujet, nous avons réalisé que très peu de choses étaient comprises sur le problème et que nous pouvions faire un travail théorique très basique ici », relate Dodin.

Maintenant qu’ils ont une idée assez précise des effets mutuels et mesurables des ondes gravitationnelles sur le plasma primordial, ils prévoient d’appliquer très prochainement leur théorie sur des données concrètes, mais devront sans doute s’armer de patience pour obtenir leurs premiers résultats. « Nous avons quelques formules maintenant, mais obtenir des résultats significatifs demandera plus de travail », a souligné Garg.

Source : D. Garg et al., Journal of Cosmology and Astroparticle Physics