Que savons-nous réellement de ce qui existe dans l’univers ?
Prenons un exemple farfelu. Si des extraterrestres volaient dans notre galaxie avec la technologie de distorsion que l’on voit souvent dans les films de science-fiction, à quoi ressemblerait le signal émis par leurs vaisseaux ? De manière peut-être surprenante, nos recherches montrent que nous disposons des outils nécessaires pour répondre à cette question, que de telles choses existent réellement ou non.
Les télescopes qui utilisent la lumière pour sonder l’espace peuvent désormais voir presque jusqu’à la limite de ce qui est observable. Chaque nouvelle fréquence explorée – des rayons gamma aux rayons X, en passant par l’infrarouge et la radio – nous a appris quelque chose de nouveau et d’inattendu.
En 2015, un nouveau type de télescope, un détecteur appelé Ligo, a été mis en service pour rechercher non pas des ondes lumineuses, mais des ondes gravitationnelles, qui sont des « ondulations » invisibles dans l’espace et le temps. Une fois de plus, la nature nous a surpris avec un signal appelé GW150914 provenant d’une paire de trous noirs. Chacun d’eux avait une masse environ trente fois supérieure à celle de notre soleil et fusionnait dans une violente collision à 1,4 milliard d’années-lumière.
Depuis, les ondes gravitationnelles sont devenues un nouvel outil essentiel pour les chercheurs qui explorent l’univers. Mais nous n’en sommes qu’au tout début de nos explorations. Quels signaux pourrons-nous déceler dans les données et modifieront-ils notre vision de la physique du cosmos ?
Il y a cependant une question plus pratique qui est souvent négligée : si quelque chose existe, comment pouvons-nous le reconnaître ?
De la science-fiction à la science sérieuse
Vous avez peut-être vu des moteurs à distorsion dans des séries comme Star Trek. Un moteur à distorsion est une forme hypothétique de technologie qui comprime l’espace à l’avant d’un vaisseau et le dilate à l’arrière. Bien que rien ne puisse aller plus vite que la vitesse de la lumière, dans un moteur à distorsion, nous pouvons tricher en réduisant la distance. Ainsi, le temps nécessaire pour aller d’un point A à un point B est inférieur au temps que prend la lumière sur un autre chemin non compressé.
Le saut de la science-fiction à la science réelle a été fait par le physicien théoricien Miguel Alcubierre en 1994, lorsqu’il a eu l’idée de modéliser un moteur à distorsion en utilisant les équations de la relativité générale d’Einstein.
La relativité générale est une relation entre la courbure de l’espace-temps (gravité) et une distribution de matière ou d’énergie (matière). Généralement, nous commençons par connaître la « matière ». Par exemple, nous savons que nous avons une masse de matière qui représente une planète ou une étoile. Nous introduisons ensuite cette matière dans les équations afin de déterminer la courbe de l’espace-temps. Et cette courbure nous indique la gravité que nous mesurerions autour de l’objet.
On pourrait dire que c’est exactement ce que fait l’image de la gravité d’Isaac Newton, qui établit une relation entre la masse d’un objet et la force gravitationnelle qu’il exerce. Et vous auriez raison. Mais le concept de courbure de l’espace-temps donne lieu à une gamme de phénomènes bien plus riche qu’une simple force. Elle permet une sorte de gravité répulsive qui pousse notre univers à s’étendre, crée une dilatation du temps autour d’objets massifs et des ondes gravitationnelles dans l’espace-temps et, du moins en théorie, rend possible les moteurs de distorsion.
Alcubierre a abordé son problème dans la direction opposée à la direction habituelle. Il savait quel type de courbure de l’espace-temps il voulait. Il s’agissait d’un espace-temps dans lequel un objet pouvait surfer sur une région de l’espace-temps déformé. Il a donc travaillé à rebours pour déterminer le type de configuration de matière nécessaire pour créer ce type de courbure. Il ne s’agissait pas d’une solution naturelle des équations, mais plutôt de quelque chose de « sur mesure ». Mais ce n’est pas exactement ce qu’il aurait commandé. Il a découvert qu’il fallait de la matière exotique, quelque chose avec une densité d’énergie négative, pour déformer l’espace de la bonne manière.
Les solutions de matière exotique sont généralement considérées avec scepticisme par les physiciens, et ce à juste titre. Si, d’un point de vue mathématique, il est possible de décrire des matériaux dotés d’une énergie négative, presque tout ce que nous connaissons semble avoir une énergie positive. Mais en physique quantique, nous avons observé que de petites violations temporaires de la positivité de l’énergie peuvent se produire, et donc, « pas d’énergie négative » ne peut pas être une loi absolue et fondamentale.
Des moteurs de distorsion aux ondes
Le modèle d’Alcubierre de l’espace-temps du moteur de distorsion nous permet de commencer à répondre à notre question initiale : à quoi ressemblerait un signal provenant de cet espace-temps ?
L’une des pierres angulaires de l’observation moderne des ondes gravitationnelles, et l’une de ses plus grandes réussites, est la capacité à prédire avec précision les formes d’ondes à partir de scénarios physiques en utilisant un outil appelé « relativité numérique« .
Cet outil est important pour deux raisons. Tout d’abord, parce que les données que nous obtenons des détecteurs sont encore très bruyantes, ce qui signifie que nous devons souvent savoir à peu près à quoi ressemble un signal pour pouvoir l’extraire du flux de données. Ensuite, même si un signal est si fort qu’il se détache du bruit, nous avons besoin d’un modèle pour l’interpréter. En d’autres termes, nous devons avoir modélisé de nombreux types d’événements différents, afin de pouvoir faire correspondre le signal à son type, faute de quoi nous pourrions être tentés de le considérer comme du bruit ou de l’étiqueter à tort comme une fusion de trous noirs.
L’un des problèmes de la distorsion de l’espace-temps est qu’elle ne produit pas naturellement d’ondes gravitationnelles, à moins qu’elle ne démarre ou ne s’arrête. Notre idée était d’étudier ce qui se passerait lorsqu’un moteur de distorsion s’arrêterait, en particulier en cas de problème. Supposons que le champ de confinement du moteur de distorsion s’effondre (un scénario classique dans la science-fiction) ; il y aurait probablement une libération explosive de la matière exotique et des ondes gravitationnelles. C’est quelque chose que nous pouvons simuler, et que nous avons simulé, à l’aide de la relativité numérique.
Nous avons constaté que l’effondrement de la bulle de distorsion est en effet un événement extrêmement violent. L’énorme quantité d’énergie nécessaire pour déformer l’espace-temps est libérée sous forme d’ondes gravitationnelles et d’ondes d’énergie positive et négative de la matière. Malheureusement, c’est très probablement la fin pour l’équipage du vaisseau qui serait déchiré par les forces de marée.
Nous savions qu’un signal d’onde gravitationnelle serait émis ; tout mouvement de matière dans le désordre crée une telle onde. Mais nous ne pouvions pas prédire l’amplitude et la fréquence, ni comment elles dépendraient de la taille de la région déformée.
Nous avons été surpris de constater que pour un vaisseau de 1 km de long, l’amplitude du signal serait significative pour tout événement de ce type dans notre galaxie et même au-delà. À une distance de 1 mégaparsec (un peu plus loin que la galaxie d’Andromède), le signal est similaire à la sensibilité actuelle de nos détecteurs. Cependant, la fréquence des ondes est environ mille fois plus élevée que la gamme observée.
Nous devons être honnêtes et dire que nous ne pouvons pas prétendre que notre signal est le signal définitif de la distorsion. Nous avons dû faire un certain nombre de choix spécifiques dans notre modèle. Et nos extraterrestres hypothétiques peuvent avoir fait des choix différents. Mais en tant que preuve de principe, il montre que des cas au-delà des événements astrophysiques standard peuvent être modélisés et peuvent avoir des formes distinctives que nous pourrons rechercher dans de futurs détecteurs.
Nos travaux nous rappellent également que, par rapport à l’étude des ondes lumineuses, nous en sommes encore au stade de Galilée, qui prenait des photos de l’univers dans l’étroite bande de fréquence de la lumière visible. Il nous reste à explorer tout un spectre de fréquences d’ondes gravitationnelles, qui seront sensibles à toute une série de phénomènes se produisant dans l’espace et le temps.
Katy Clough, Ernest Rutherford Fellow and Senior Lecturer in Mathematics, Queen Mary University of London; Sebastian Khan, Associate research fellow at the Gravity Exploration Institute, Cardiff University, and Tim Dietrich, Professor of Theoretical Astrophysics, University of Potsdam
Cet article est la traduction française de The Conversation sous licence Creative Commons license. Lire l’article originale.
