Lors d'une conférence au Japon il y a quelques années, David Dunsky J'ai assisté à une conférence sur les ondes gravitationnelles, des ondulations dans le tissu de l'espace-temps créées lorsque des objets massifs comme les étoiles et les trous noirs accélèrent.

Dunsky était alors étudiant diplômé en physique des particules et ses intérêts étaient apparemment ailleurs. Les physiciens des particules recherchent la vérité la plus fondamentale qui sous-tend les règles physiques qui nous sont familières. Ils utilisent depuis longtemps des collisionneurs de particules à haute énergie pour tester leurs idées. En brisant des particules ensemble à des énergies insondables, ces scientifiques peuvent découvrir les éléments constitutifs des éléments constitutifs – les phénomènes à haute énergie qui se produisent à de courtes distances. Ces phénomènes nous renseignent également sur les premiers instants de l’univers, lorsqu’il était minuscule, dense et incroyablement chaud.

Mais Dunsky a appris lors de la conférence que les futurs observatoires d'ondes gravitationnelles, comme l'antenne spatiale à interféromètre laser (LISA) proposée, pourraient être utilisés pour sonder la physique des hautes énergies. LISA serait capable de détecter des objets hypothétiques appelés cordes cosmiques, de vastes brins d'énergie concentrée qui auraient pu surgir lors de la naissance de l'univers. "Je suis devenu accro à l'idée d'essayer de comprendre les signaux d'ondes gravitationnelles du premier univers", a déclaré Dunsky, qui est maintenant cosmologiste et physicien des particules à l'Université de New York, "et comment ils pourraient nous renseigner sur la physique des très, très hautes énergies, potentiellement lointaine". au-delà de ce que nous pouvons actuellement détecter avec un collisionneur.

Son tournant vers les ondes gravitationnelles comme voie à suivre pour la physique des particules illustre un intérêt croissant pour la future expérience LISA et, peut-être, un changement plus large. Douze années se sont écoulées depuis la dernière découverte majeure réalisée dans un collisionneur de particules. La découverte du boson de Higgs au Grand collisionneur de hadrons (LHC) en 2012 a complété le modèle standard de la physique des particules, la théorie dominante des particules et forces élémentaires connues. Et même si les théoriciens ont depuis imaginé un zoo de théories possibles étendant le modèle standard, il n'est pas sûr que nous puissions construire des collisionneurs capables de tester ces idées.

"Les gens parlent de construire dans les 50 prochaines années des collisionneurs 10 fois plus puissants que le LHC en termes d'énergie", a déclaré Raman Sundrum, physicien théoricien des particules à l'Université du Maryland. Cependant, tester les théories de grande unification, qui relient les trois forces du modèle standard à une seule force sous-jacente opérant à des distances plus courtes, « semblerait prendre un collisionneur qui a 10 milliards de fois l’énergie du LHC », a-t-il déclaré.

Ce que nous ne pouvons pas produire dans un collisionneur, nous pourrons peut-être l'observer dans la nature. Plus précisément, les réponses pourraient résider dans les échos gravitationnels des processus qui se sont déroulés dans les premiers instants de la création, lorsque l’univers était si énergétique qu’une physique au-delà du modèle standard aurait régné.

C'est l'espoir des physiciens des particules comme Dunsky et Sundrum, qui se tournent désormais vers LISA pour tester leurs théories. Le concept de mission a été développé pour la première fois au début des années 1980 et officiellement proposé à l'Agence spatiale européenne (ESA) la décennie suivante. Le projet a été mené un temps en collaboration avec la NASA, mais les Américains ont renoncé en 2011 pour des raisons budgétaires, obligeant l'Europe à faire cavalier seul. Mais en janvier dernier, LISA a finalement obtenu le feu vert de l'ESA, qui recherche désormais des partenaires industriels pour démarrer la construction. Cette annonce intervient après le succès retentissant en 2015 et 2016 d'une mission pilote, LISA Pathfinder, qui a testé les technologies clés du futur observatoire.

LISA devrait désormais voler dans les années 2030. Pendant quatre ans, son réseau de trois satellites parcourra l'espace dans un triangle équilatéral de plusieurs millions de kilomètres de diamètre, faisant rebondir des lasers sur les cubes dorés maintenus en chute libre parfaite à l'intérieur de chaque vaisseau pour détecter les ondulations dans l'espace-temps.

"Pour la première fois, nous pourrions réellement obtenir quelque chose directement de cette époque très ancienne" de l'univers, a déclaré Isabelle Garcia Garcia, physicien des particules et cosmologue à l'Université de Washington. Si LISA parvient réellement à capter les ondes gravitationnelles primordiales, a-t-elle ajouté, ce sera notre premier aperçu des premiers instants du cosmos. "Du point de vue de la physique des particules, c'est évidemment incroyablement excitant."

LISA chanceuse

Si LISA parvient effectivement à détecter des ondes gravitationnelles primordiales au cours de la prochaine décennie, ce sera dû à un coup de chance cosmique extraordinaire.

Aucun télescope ne révélera jamais les premiers instants de la création. Les télescopes voient le passé de l'univers en détectant la lumière venue de loin. Mais les 380,000 XNUMX premières années après le Big Bang sont cachées derrière une sorte de rideau cosmique. À l’époque, l’univers était rempli de plasma ionisé qui dispersait les photons, le rendant opaque à la lumière.

Contrairement à la lumière, les ondes gravitationnelles pouvaient se propager librement à travers l’univers primitif. Les observatoires au sol existants tels que LIGO et Virgo ne sont probablement pas sensibles à ces ondes primordiales. Mais LISA pourra peut-être entendre ce qui s’est passé sur scène avant que le rideau cosmique ne se lève.

"C'est comme entendre quelque chose dans le brouillard", a déclaré Sundrum.

À l’instar des observatoires d’ondes gravitationnelles au sol, LISA détectera les ondulations dans l’espace-temps en utilisant des lasers pour mesurer avec précision la distance le long de ses « bras » – dans ce cas, les lignes dans l’espace vide entre les trois vaisseaux spatiaux dans sa constellation triangulaire. Lorsqu’une onde gravitationnelle passe, elle étire et contracte l’espace-temps. Cela crée une légère différence dans la longueur des bras de LISA, que l'instrument peut détecter en suivant le désalignement des pics et des creux de ses faisceaux laser. Loin de l'environnement bruyant de la Terre, LISA sera bien plus sensible que les interféromètres existants comme LIGO, qui a été utilisé pour détecter les collisions de trous noirs et d'étoiles à neutrons. Il sera également beaucoup plus grand ; chacun de ses bras sera près de 400 fois plus long que le rayon de la Terre.

Même ainsi, les changements de distance que LISA ressentira sont extrêmement faibles – environ 50 fois plus petits qu’un atome. "C'est un concept assez fou, si on y réfléchit", a déclaré Nora Lützgendorf, astrophysicien à l'ESA et scientifique du projet LISA.

La taille et la sensibilité de LISA lui permettront d'observer des ondes gravitationnelles beaucoup plus longues que celles observables par les interféromètres au sol. LIGO peut détecter des ondes gravitationnelles d'une longueur d'onde comprise entre 30 et 30,000 XNUMX kilomètres environ, mais LISA peut capter des ondes dont la longueur varie de quelques centaines de milliers de kilomètres à quelques milliards. Cela permettra à LISA d'écouter les événements astrophysiques que les observatoires au sol ne peuvent pas « entendre », comme les fusions de trous noirs supermassifs (par opposition aux trous noirs de la taille d'une étoile). Et la bande de longueur d'onde de LISA se trouve également avoir exactement la taille que les physiciens attendent des ondes gravitationnelles générées dans les premiers instants après le Big Bang.

La physique des hautes énergies dans l’univers primitif a créé des ondulations gravitationnelles, et à mesure que l’univers s’étendait et que l’espace s’étendait, ces ondes ont atteint des dimensions énormes. LISA se trouve être parfaitement prête à capter les vagues créées au cours des 10 premières^-17 - 10^-10 quelques secondes après le Big Bang – pratiquement au début des temps. La partie courte de cette fourchette, 10^-17 secondes, est une période si brève qu’elle tiendrait à peu près autant de fois dans une seconde que les secondes correspondent à l’âge de l’univers.

«Il y a ce hasard», a déclaré Chiara Caprini, cosmologiste théorique à l'Université de Genève et au CERN. Il y a une correspondance entre « la bande de fréquences de détection de LISA et cette époque particulière de l’évolution de l’univers qui marque la frontière de notre connaissance de la physique des particules ».

Au-delà du modèle standard

Jusqu’à cette frontière, le modèle standard fait un excellent travail en expliquant comment son troupeau de 17 particules élémentaires interagit avec trois forces : la force électromagnétique, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible. Mais malgré ses énormes succès, personne ne pense que ces particules et ces forces constituent la finalité de l’existence.

La théorie a ses défauts. Par exemple, le masse du boson de Higgs — le composant du modèle standard qui détermine les masses des autres particules — est frustrant, "contre nature.» Cela semble arbitraire et étonnamment petit comparé aux échelles énergétiques bien plus grandes de l’univers. De plus, le modèle standard n’offre aucune explication sur la matière noire, ni sur la mystérieuse énergie sombre qui entraîne l’expansion accélérée de l’espace. Un autre problème est que l’antimatière et la matière se comportent exactement de la même manière sous les trois forces du modèle standard – ce qui n’est évidemment pas tout, puisque la matière domine l’univers. Et puis il y a la gravité. Le Modèle Standard ignore complètement la quatrième force fondamentale, qui doit être décrite à l’aide de sa propre théorie sur mesure, la relativité générale.

"Beaucoup de théoriciens comme moi ont essayé de resserrer un peu le modèle standard et d'en faire des extensions", a déclaré Pierre Auclair, cosmologiste théorique à l'Université catholique de Louvain en Belgique. Mais sans preuves expérimentales permettant de les tester, ces théories étendues restent théoriques.

Auclair est un théoricien. "Mais j'essaie quand même d'être lié aux expériences autant que possible", a-t-il déclaré. C'est l'une des raisons pour lesquelles il a été attiré par LISA. "Ces extensions conduisent généralement à différents événements extrêmes dans l'univers primitif", a-t-il déclaré.

Garcia Garcia a également déclaré que la promesse de LISA de preuves d'observation pour la physique des hautes énergies l'avait amenée à repenser sa carrière : les ondes gravitationnelles pourraient « sonder l'univers primitif d'une manière qu'aucune autre expérience ne peut faire », a-t-elle déclaré. Il y a quelques années, elle a commencé à étudier les ondes gravitationnelles et comment la physique au-delà du modèle standard laisserait des empreintes digitales détectables par LISA.

L'année dernière, Garcia Garcia et ses collègues travail publié sur la signature des ondes gravitationnelles des murs de bulles – des barrières énergétiques entre des poches d’espace qui se sont retrouvées piégées dans différents états à mesure que l’univers se refroidissait. Ce refroidissement s'est produit à mesure que l'univers s'étendait. Tout comme l’eau bout et se transforme en vapeur, l’univers a traversé des transitions de phases. Dans le modèle standard, la transition de phase au cours de laquelle une force unique « électrofaible » se divisait en forces électromagnétiques et forces faibles distinctes était relativement douce. Mais de nombreuses extensions de la théorie prédisent des événements violents qui ont laissé la soupe cosmique mousseuse et perturbée, a déclaré Dunsky, qui étudie également les défauts topologiques tels que les murs de bulles.

Les champs quantiques qui imprègnent notre univers ont des états d’énergie minimale, ou états fondamentaux. Et à mesure que l'univers se refroidissait, de nouveaux états fondamentaux à plus faible énergie se sont développés, mais un champ donné n'a pas toujours immédiatement atterri dans son nouvel état fondamental. Certains se sont retrouvés piégés dans des minimums énergétiques locaux – de faux états fondamentaux qui semblent seulement stables. Parfois, cependant, un petit morceau de l’univers s’enfonce dans un tunnel quantique vers l’état véritable, nucléant une bulle de vide véritable en expansion rapide avec une énergie inférieure à celle de l’univers extérieur.

« Ces bulles sont très énergiques ; ils se déplacent très près de la vitesse de la lumière en raison de cette différence de pression entre leur intérieur et leur extérieur », a déclaré Dunsky. "Ainsi, lorsqu'ils entrent en collision, vous obtenez cette violente collision entre ces deux objets très relativistes, un peu similaire à la façon dont les trous noirs émettent de fortes ondes gravitationnelles juste avant d'entrer en collision."

Cordes et murs

De manière plus spéculative, les transitions de phase dans l’univers primitif auraient également pu créer des structures appelées cordes cosmiques et murs de domaine – d’énormes brins et feuilles, respectivement, d’énergie dense.

Ces structures apparaissent lorsque l’état fondamental d’un champ quantique change de telle manière qu’il existe plus d’un nouvel état fondamental, chacun également valable. Cela peut entraîner des défauts de haute énergie le long des frontières entre des poches de l’univers qui se trouvent dans des états fondamentaux différents, mais tout aussi favorables.

Le processus ressemble un peu à la façon dont certaines roches développent un magnétisme naturel en refroidissant, a déclaré Dunsky, qui a étudié les empreintes digitales observables du processus. À haute température, les atomes sont orientés de manière aléatoire. Mais à des températures fraîches, il devient énergétiquement favorable pour eux de s’aligner magnétiquement – ​​l’état fondamental change. Sans champ magnétique externe pour orienter les atomes, ils sont libres de s’aligner dans n’importe quel sens. Tous les « choix » sont également valables, et différents domaines du minéral feront, par hasard, des choix différents. Le champ magnétique généré par tous les atomes se courbe considérablement aux frontières entre les domaines.

De même, les champs quantiques dans différentes régions de l’univers « doivent changer rapidement à la frontière » de ces domaines, a-t-il déclaré, ce qui entraîne de grandes densités d’énergie à ces frontières qui « signifient la présence d’un mur de domaine ou d’une corde cosmique ».

Ces cordes cosmiques et ces murs de domaines, s’ils existaient, se seraient étendus pour couvrir pratiquement tout l’univers à mesure que l’espace s’étendait. Ces objets produisent des ondes gravitationnelles lorsque les plis se propagent le long d'eux et lorsque les boucles oscillent et forment des cuspides. Mais les échelles d’énergie de ces ondes étaient pour la plupart définies comme les objets se sont formés dans les premiers instants de l’univers. Et LISA pourrait les détecter, s'ils existent.

Échos de la création

Les ondes gravitationnelles qui nous parviennent depuis le tout début de l’univers n’arriveront pas sous forme de gazouillis soigneusement emballés, comme les signaux de collisions de trous noirs. Parce qu’ils se sont produits si tôt, ces signaux se sont depuis répandus dans tout l’espace. Ils résonneront de toutes les directions, de tous les points de l'espace, d'un seul coup – un bourdonnement gravitationnel de fond.

"Vous allumez votre détecteur et il est toujours là", a déclaré Garcia Garcia.

Les modèles dans ce contexte « ressembleraient probablement à du bruit pour la personne moyenne », a déclaré Sundrum. "Mais secrètement, il y a un code caché."

Un indice important sera le spectre du signal de fond, c'est-à-dire sa force à différentes fréquences. Si nous considérons un signal d’onde gravitationnelle comme un son, son spectre serait une représentation de la hauteur en fonction du volume. Un bruit blanc véritablement aléatoire aurait un spectre plat, a déclaré Auclair. Mais les ondes gravitationnelles déclenchées lors des transitions de phase ou émises par des cordes cosmiques ou des murs de domaine seraient les plus fortes à des fréquences spécifiques. Auclair a travaillé sur le calcul des signatures spectrales des cordes cosmiques, qui émettent des ondes gravitationnelles à des longueurs d'onde caractéristiques lorsque leurs courbures et leurs boucles évoluent. Et Caprini et le cannabis comment de violentes transitions de phase laisseraient leur propre marque sur le fond des ondes gravitationnelles.

Une autre approche que Sundrum et ses collègues décrit en 2018 ainsi que récemment élaboré, serait d'essayer de cartographier l'intensité globale de l'arrière-plan dans le ciel. Cela permettrait de rechercher des anisotropies, ou des patchs qui sont juste un tout petit peu plus forts ou plus silencieux que la moyenne.

"Le problème", a déclaré Caprini, "est que ce type de signal a pratiquement les mêmes caractéristiques que le bruit de l'instrument. Toute la question est donc de savoir comment le distinguer une fois que nous avons détecté quelque chose.

LISA ressemble plus à un microphone qu’à un télescope. Au lieu de regarder dans une direction particulière, il écoutera le ciel tout entier en même temps. Il entendra les ondes gravitationnelles primordiales si elles sont présentes. Mais il entendra également les gazouillis et les hurlements des trous noirs en fusion, des étoiles à neutrons et des nombreuses paires d’étoiles naines blanches de notre galaxie. Pour que LISA puisse détecter un fond d’ondes gravitationnelles primordiales, tous les autres signaux devront être soigneusement identifiés et supprimés. Filtrer le véritable signal de l’univers primitif équivaudra à capter le bruit d’une brise printanière sur un chantier de construction.

Mais Sundrum choisit d’avoir espoir. « Nous ne sommes pas fous de faire des recherches », a-t-il déclaré. « Ce sera difficile pour les expérimentateurs. Il sera difficile pour le public de payer pour les différentes choses qui doivent être faites. Et il sera difficile pour les théoriciens de se frayer un chemin au-delà de toutes les incertitudes, des erreurs, des antécédents, etc.

Mais néanmoins, a ajouté Sundrum, « cela semble possible. Avec un peu de chance. »