Fossiles cosmiques

Modèle cosmologique à succès

La cosmologie cherche à répondre à des questions comme l'origine du cosmos, son évolution et son futur destin. Pour cela, les outils mathématiques et les observations expérimentales les plus précises sont indispensables. D'une part, il est basé sur la meilleure théorie de l'histoire pour expliquer la gravité: Celle de la relativité générale d'Einstein. D'autre part, dans des observations et des mesures astronomiques de plus en plus précises axées sur les progrès technologiques. La combinaison de théories et de preuves expérimentales a donné lieu à un modèle capable de fournir une description très précise de l'univers: le modèle standard de cosmologie [1]. Ce modèle, avec un large consensus dans la communauté cosmologique, nous sert, entre autres, à disposer de prédictions fiables des principales caractéristiques des galaxies ou ensembles de galaxies que nous pouvons trouver dans l'univers.

Cependant, nous sommes encore loin de former un modèle qui parvient à résoudre tous les mystères de l'univers, surtout parce que la physique qui sous-tend certains faits et composants fondamentaux de l'histoire de l'univers n'a pas encore été développée. Par exemple, comment le Big Bang est-il arrivé ? Qu'est-ce que l'énergie sombre et la matière noire ? Quelle est la physique nécessaire pour expliquer son existence? Il y a plusieurs questions et plusieurs lignes de recherche ouvertes à la cosmologie contemporaine.

Un jeune univers plein de mystère

La plupart des questions et des questions principales se situent dans l'univers jeune. Nous avons encore une vision très qualitative de l'univers tôt. Par exemple, il est largement supposé que dans les premiers moments de l'univers a eu lieu une expansion spatiale exponentielle et rapide, appelée inflation. La plupart des observations et des mesures confirment l'inflation, mais nous n'avons aucune trace du processus physique qui l'a provoquée. Il n'est pas facile de répondre à ce genre de questions, surtout parce que ce sont des phénomènes survenus il y a des millions d'années et les particules et les interactions de cette époque sont inconnues. Cependant, de nombreuses tentatives ont été faites pour comprendre la physique à ces moments. C'est l'un des principaux objectifs de l'énorme accélérateur Large Hadron Collider (LHC), situé à Genève. Dans celle-ci, la collision entre les protons accélérés a réussi à reproduire les énergies qui se sont produites à certains moments de l'univers jeune. Entre autres choses, il a été démontré qu'il existe de nouvelles particules élémentaires comme la particule de Higgs, indispensable pour comprendre l'univers actuel.

Cependant, dans ces expériences sur Terre, même si nous avons beaucoup appris sur la physique à haute énergie, elles sont très limitées. De toute évidence, ils sont encore loin des échelles énergétiques des premiers moments de l'univers. En outre, compte tenu des ressources et des capacités disponibles, il n'est pas prévu de développer une technologie permettant de concevoir une expérience répétant ces conditions. Quelle autre voie pouvons-nous utiliser alors ? La réponse est que, au lieu de répéter des phénomènes, essayons de trouver des indices de faits réels. Dans notre étude, nous avons cherché ces traces dans les signes astronomiques qui nous sont parvenus du jeune univers à nous. Nous avons analysé l'une des plus importantes: les anisotropes du fond cosmique des micro-ondes (CMB). Autrefois, le CMB est un rayonnement libéré quand l'univers était très jeune, qui nous est arrivé avec très peu de changements jusqu'à nous. Il est presque totalement isotrope, c'est-à-dire similaire dans toutes les directions, mais il maintient le noyau en petites déviations par rapport à cette isotropie: anisotropes. Les anisotropes de la température et de la polarisation de ce rayonnement offrent une photo presque inédite de la jeunesse de l'univers, une source d'information imbattable.

Figure . Photo d'un réseau de corde obtenue dans des simulations réalisées sur le supercalculateur CSCS en Suisse. Un fragment de boîte qui imite les conditions de l'univers apparaît. ED. : David Daverio.

Les fossiles cosmiques, témoins des conditions du jeune univers

Comme nous avons une infinité de questions autour de l'univers jeune, les modèles qui essaient de les expliquer à travers la physique des particules sont autant d'autres: certains visent à clarifier les détails de l'inflation; d'autres, expliquer la matière et la formation de l'antimathie... Ce sont des modèles avec différentes voies et développements, mais avec des caractéristiques souvent communes. Par exemple, beaucoup d'entre elles produisent des transitions de phase similaires à celle de convertir la glace en eau liquide par augmentation de la température. Connaître les phases qui ont traversé l'univers et comment ont été les transitions entre les différentes phases, clarifierait le caractère de cette physique que nous recherchons.

On pense qu’à la fin de la plupart des transitions de phase, des objets curieux appelés “défauts cosmiques” ont émergé. Les défauts sont des zones à forte concentration énergétique et, depuis leur origine, ils ont parcouru l'univers [2]. Ce ne sont pas des erreurs ou des lacunes de la théorie, mais des fossiles cosmiques qui maintiennent les propriétés de la phase ancienne. Étant donné qu'ils maintiennent les caractéristiques de la phase à haute température dans la nouvelle phase, ils peuvent fournir beaucoup d'informations éclaircissantes sur la phase ancienne : énergie du changement de phase, détails du processus, etc.

Bien qu'il n'ait jamais été détecté, une ancienne ligne de recherche est de baser la recherche des défauts sur la réponse aux mystères de l'univers jeune. D'une part, la détection possible serait une étape importante, car elle clarifierait la nature de la transition des phases. D'autre part, affirmer qu'il n'y a jamais eu de défense nous donne beaucoup d'informations sur le jeune univers, puisque nous devrions écarter tous les modèles qui annoncent qu'ils existent. Sans aucun doute, comprendre la physique des défauts et des phénomènes qui peuvent les déclencher peut aider beaucoup à construire le modèle le plus approprié lié au développement de l'univers.

Dans notre étude, nous avons analysé les défauts dits de la corde cosmique. Comme son nom l'indique, ces défauts ont une forme de corde (voir figure 2). Ils se déplacent constamment, se rencontrent et créent de nouvelles cordes. Ils forment des réseaux à cordes dynamiques très compliqués, des systèmes d'analyse manuelle excessivement complexes. Or, pour obtenir des résultats aussi fiables que possible, son évolution est simulée par des techniques numériques.

Figure . Représentation graphique du composant B de la polarisation du CMB. Environnement idéal pour rechercher l'existence de composants de l'univers jeune. ED. : Collaboration BICEP2/Keck.

Avec le supercalculateur suisse CSCS, nous avons analysé les évolutions de plusieurs réseaux à cordes en utilisant des boîtes reproduisant les caractéristiques des différentes époques d'expansion de l'univers [3]. Grâce aux techniques de simulation et de paralysie les plus avancées, nous avons pu augmenter à 64 reprises la taille des simulations déjà connues. Dans chaque boîte a été analysé un réseau de cordes qui sont devenus de petites reproductions du potentiel univers qui abrite les cordes. La répétition du processus à plusieurs reprises a permis d'obtenir les distributions statistiques les plus serrées des propriétés des réseaux à cordes.

Les résultats des simulacres ont permis de prendre des mesures significatives pour comprendre l'évolution cosmologique des réseaux à cordes. Entre autres mesures, on a mesuré que les cordes se déplacent à des vitesses moyennes très élevées, environ 60% de la vitesse de la lumière. Nous comprenons aussi mieux les interactions entre cordes, car on a étudié avec précision les chocs, les naissances de nouvelles cordes et les façons de les désintégrer [4].

Dans tous les cas, l'objectif principal de la thèse a été d'obtenir aussi précisément que possible les anisotropes qui peuvent générer des cordes dans le CMB. Pour cela, nous avons étudié en détail les perturbations qui provoquent les mouvements des cordes, qui sont celles qui génèrent l'empreinte astronomique que nous voulons calculer. Par exemple, des études antérieures en la matière ignoraient le comportement des réseaux et perturbations dans les transitions entre les différentes expansions de l'univers. Avec les nouvelles simulations, nous avons surmonté cette situation car en plus de la comprendre, nous avons été en mesure de modéliser. Les résultats nous ont donné raison et ont montré l'importance de ce processus pour le calcul des perturbations et des anisotropes du CMB. On estime que l'amplitude du signal générée par les réseaux de corde, à la fois à température et à polarisation, est de 30% supérieure à celle attendue dans la nouvelle modélisation.

Avec l'aide des plus grandes simulations de tous les temps, nous avons fait de nouveaux pas dans la connaissance des cordes cosmiques, en connaissant mieux leur dynamique et l'effet qu'ils peuvent causer dans le CMB. Nous croyons que la voie a été facilitée pour démontrer expérimentalement à l'avenir l'existence de ces curieux objets.

Ce seront des années décisives pour que ceux qui viendront obtiennent des preuves de l'existence de défenses et connaissent davantage l'univers jeune. Les jauges de nouvelle génération placeront l'accent sur ces phénomènes. Les progrès techniques permettront de détecter la composante B de la polarisation du CMB encore non mesurée [5]. Il sera le juge parfait de l'inflation et des modèles défectueux, car l'inflation et les défauts provoquent une polarisation de type B avec une forme spéciale et caractéristique.

Figure . Interféromètre spatial LISA approuvé par l'Agence spatiale européenne (ESA). Votre objectif sera de mesurer avec la plus grande précision possible les ondes gravitationnelles de différentes fréquences. L'année 2030 devrait être mise en orbite et commencer à collecter des données. ED. : AEI/Milde Marketing/Exozet.

D'autre part, les expériences destinées à détecter des ondes gravitationnelles (comme LISA [6]) seront également en cours. Les ondes gravitationnelles se produisent dans des processus gravitationnels très violents, comme il ne pouvait en être autrement dans les processus de l'univers jeune. Par leur haute énergie, les défauts sont également des candidats forts pour être source des ondes gravitationnelles. Cependant, le passage du temps a considérablement affaibli les ondes générées il y a longtemps et l'un des plus grands défis de la cosmologie expérimentale actuelle est la détection des ondes de l'univers jeune. Comme la polarisation B, la détection des ondes gravitationnelles dans l'univers précoce aura une place importante dans la viabilité de nos modèles.

Sans aucun doute, nous sommes à une époque inégalée pour répondre aux mystères de l'univers jeune, qui mènent de grands efforts expérimentaux. Les prédictions et les travaux théoriques exigent également des progrès de la même taille, et nous continuerons à le faire.

Bibliographie Bibliographie

Travail présenté aux prix CAF-Elhuyar.