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NANOGrav : Ondes gravitationnelles et mystères de l’Univers
En 2023, l’observatoire NANOGrav a fait une découverte fascinante : des ondes gravitationnelles à très basse fréquence. Ces ondes, au départ attribuées à une transition de phase survenue peu après le Big Bang, ont vu leur origine remise en question par une nouvelle étude. Il semblerait que le type de transition impliqué serait si lent qu’il ne correspond pas à la vitesse d’expansion de notre Univers, laissant entrevoir une physique encore inconnue.
Les ondes gravitationnelles : une manifestation du cosmos
Teorisées par la relativité générale d’Einstein en 1915, les ondes gravitationnelles sont des perturbations du tissu spatio-temporel causées par des corps célestes massifs. Comparables aux vagues créées à la surface de l’eau lorsqu’un objet y tombe, ces ondes peuvent être générées par la fusion de deux trous noirs ou d’étoiles à neutrons, notamment lorsque ces objets constituent un système binaire orbitant l’un autour de l’autre.
L’année précédente, NANOGrav a enregistré des ondes gravitationnelles dont la fréquence, située dans le nanohertz, est particulièrement basse. Ce constat a suscité un vif débat parmi les scientifiques, la fréquence de ces ondes étant bien inférieure à celle normalement observée dans les collisions d’objets stellaires massifs.
Une origine exogène à explorer
Pour expliquer leur provenance, les chercheurs ont émis plusieurs hypothèses, dont certaines mentionnent des sources exotiques telles que les cordes cosmiques — de supposées structures filiformes créées durant l’inflation de l’Univers — ou des trous noirs primordiaux. Toutefois, la théorie la plus répandue se concentre sur une transition de phase de premier ordre, survenue peu après le Big Bang lorsque l’Univers a commencé à refroidir et à s’étendre.
Une étude récente publiée dans la revue Physical Review Letters remet néanmoins en question cette hypothèse. « Les scientifiques ont suggéré que ces ondes proviennent d’un événement de transition qui s’est produit peu après le Big Bang, générant ainsi les masses des particules fondamentales connues », déclare Andrew Fowlie, coauteur de l’étude. Il ajoute que leurs recherches soulèvent de sérieux doutes sur cette explication initialement séduisante.
La vitesse d’expansion : un paramètre essentiel
Les transitions de phase représentent des changements brusques dans les propriétés d’une substance, se produisant généralement à une température critique. Par exemple, lorsque l’eau gèle, elle atteint une telle température. Certaines transitions dites « superfroides » se produisent lorsque la substance reste dans un état donné, retardant ainsi sa transformation. Dans le cas des ondes détectées par NANOGrav, les chercheurs suggèrent que la transition devrait être superfroide pour expliquer les fréquences observées.
Cependant, ce type de transition présente des complications, car sa vitesse ne serait pas alignée avec celle de l’expansion de l’Univers. « De telles transitions lentes auraient du mal à se réaliser, car leur vitesse de transition est inférieure à la vitesse d’expansion de l’Univers », souligne Fowlie. Même si une accélération de la transition est envisagée, la fréquence des ondes excéderait celle du nanohertz, rendant l’hypothèse de l’origine superfroide de ces ondes peu probable.
Vers une meilleure compréhension des transitions superfroides
Les résultats de cette étude démontrent la nécessité d’approfondir nos recherches sur les transitions de phase superfroides, notamment si elles doivent se produire dans l’Univers primitif. « Il existe de nombreuses subtilités dans les relations entre l’échelle d’énergie des transitions et la fréquence des ondes. Ainsi, des approches plus rigoureuses et sophistiquées seront cruciales pour étudier ce phénomène complexe », conclut Fowlie.
La découverte des ondes gravitationnelles et leur analyse continuent de poser des questions fondamentales sur les origines de l’Univers et sur des processus physiques apparemment simples mais encore mal compris, tels que l’infiltration de l’eau à travers la roche ou la propagation des incendies de forêt.