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Les mystères de l’Univers continuent de se dévoiler à travers les avancées en physique, notamment grâce à l’étude des ondes gravitationnelles. Ces ondulations dans le tissu de l’espace-temps, prédites par la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, pourraient révéler des secrets enfouis depuis les premiers instants de l’Univers. En 2023, une découverte surprenante a remis en question les hypothèses précédentes concernant l’origine de ces ondes, suggérant qu’une nouvelle physique, encore inexplorée, pourrait être en jeu.
La transition de phase
Les scientifiques ont été stupéfaits lorsqu’ils ont détecté des ondulations presque imperceptibles dans l’espace-temps, observées grâce à des réseaux de pulsars, des étoiles à neutrons en rotation rapide. Ces ondes gravitationnelles à basse fréquence, découvertes par le réseau de synchronisation de pulsars, ont été initialement attribuées à une transition de phase survenue peu après le Big Bang. Cependant, de nouvelles recherches publiées dans la revue Physical Review Letters, menées par Andrew Fowlie et son équipe de l’université Xi’an Jiaotong-Liverpool, remettent en question cette explication.
Les transitions de phase, connues pour leur rôle dans des processus quotidiens comme la transformation de l’eau en glace, sont également présentes à l’échelle cosmique. Une transition de phase de premier ordre aurait pu se produire lors de la naissance de l’Univers, générant ainsi des ondes gravitationnelles. Ces ondes, selon les scientifiques, pourraient offrir un aperçu des conditions prévalant pendant la période d’inflation rapide qui a suivi le Big Bang.
Cependant, l’équipe de Fowlie a découvert que pour que ces ondes à basse fréquence soient produites, la transition devait être d’une extrême froideur, un phénomène inattendu pendant l’inflation cosmique rapide. Cette contradiction a conduit les chercheurs à remettre en question l’origine des ondes gravitationnelles observées, suggérant qu’une nouvelle physique pourrait être nécessaire pour expliquer ces observations.
Les ondes gravitationnelles
La théorie de la relativité générale d’Einstein, qui date de 1915, prédit que les objets massifs déforment l’espace-temps, créant ainsi l’effet que nous percevons comme la gravité. Cette théorie suggère également que les objets en accélération génèrent des ondes gravitationnelles. Si ces ondes sont faibles pour des objets terrestres, elles deviennent significatives pour des masses cosmiques comme les trous noirs supermassifs et les étoiles à neutrons.
Lorsque ces objets sont en orbite l’un autour de l’autre dans des systèmes binaires, ils émettent continuellement des ondes gravitationnelles jusqu’à ce qu’ils finissent par fusionner, créant un puissant signal. Cependant, les ondes détectées en 2023 par le réseau NANOGrav étaient d’une fréquence beaucoup plus basse que celles habituellement observées, indiquant une origine potentiellement différente.
La nécessité d’une nouvelle physique
La découverte de ces ondes nanohertz a suscité des interrogations sur leur origine. Fowlie et son équipe ont montré que pour produire des ondes à une fréquence si basse, la transition de phase devait être extrêmement froide, un scénario improbable dans le contexte de l’expansion rapide de l’Univers après le Big Bang. Cette difficulté à expliquer les ondes gravitationnelles par les modèles existants suggère que de nouveaux concepts physiques, encore inconnus, pourraient être impliqués.
L’équipe souligne l’importance de mieux comprendre les transitions de phase surfondues, des phénomènes où une substance reste bloquée dans une phase sans atteindre son état final attendu, comme l’eau qui ne gèle pas malgré une température inférieure au point de congélation. Ce type de transition pourrait avoir joué un rôle crucial dans les premiers instants de l’Univers, mais il nécessite des approches théoriques plus sophistiquées pour être correctement étudié.
Bien que cette recherche se concentre sur des phénomènes cosmologiques, elle pourrait également avoir des applications plus proches de nous. Une meilleure compréhension des transitions de phase surfondues pourrait, par exemple, améliorer notre compréhension de l’écoulement de l’eau à travers les roches, optimiser les méthodes de percolation du café ou encore éclairer les mécanismes de propagation des incendies de forêt. Par ailleurs, voici 8 faits fascinants sur le Big Bang, la théorie qui définit l’histoire de l’Univers.