Le plus grand pouvoir des cordes cosmiques ? Leur capacité à confondre les physiciens.
Article pour les très Looonnnguuuuueeees soirées d’hiver.
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Vous souvenez-vous de cette époque dans la Seigneur des Anneaux où les nains de la Moria ont creusé trop avidement et trop profondément, déterrant le Balrog, une ancienne horreur qui n’était pas destinée à errer librement à l’ère moderne ?
Les cordes cosmiques sont un peu comme ça mais pour la physique. Ce sont des restes hypothétiques des transformations capitales subies par notre Univers alors qu’il avait moins d’une seconde. Ce sont des défauts, des failles dans l’espace lui-même. Ils ne sont pas plus larges qu’un proton, mais ils peuvent potentiellement s’étendre sur le volume observable de l’Univers. Ils ont des pouvoirs indescriptibles - la capacité de déformer l’espace à tel point que les cercles autour d’eux ne se terminent jamais, et ils transportent suffisamment d’énergie pour libérer des niveaux d’ondes gravitationnelles destructeurs de planète. Ils sont également le chemin vers certaines des physiques les plus exotiques connues (et inconnues) de la science.
Notre cosmos devrait être criblé de cordes cosmiques. Et pourtant, pas une seule recherche n’a trouvé de preuves pour eux. Découvrir où se cachent les cordes cosmiques, ou pourquoi elles ne devraient pas exister après tout, aidera à pousser notre compréhension de la cosmologie et de la physique fondamentale vers de nouveaux sommets.
Revenons à quelques-uns des premiers moments de l’histoire de l’Univers. À cette époque, le cosmos avait moins d’une fraction de seconde et tout son volume observable, actuellement d’environ 90 milliards d’années-lumière de diamètre, était comprimé dans un espace pas plus gros qu’un atome.
Je vais vous dire tout de suite que nous n’avons pas de compréhension précise de la nature de l’Univers à l’heure actuelle. C’est parce que la matière qui remplissait l’Univers était dans un état tellement exotique, avec des températures et des pressions si stupidement élevées, qu’il ne vaut même pas la peine de taper des chiffres pour eux. À ces énergies, nos connaissances actuelles en physique s’effondrent tout simplement. Nous n’avons pas d’équation bien comprise, pas de principes directeurs, pas de résultats expérimentaux qui puissent nous dire ce que faisait exactement l’Univers quand il était si jeune.
Mais nous avons quelques soupçons sournois. Nous avons identifié grâce à nos modèles mathématiques et vérifié par des expériences que les forces de la nature ne sont pas toujours ce qu’elles semblent être. Aux énergies normales et typiques de la vie quotidienne, nous expérimentons quatre forces fondamentales : la gravité, l’électromagnétisme, le nucléaire fort et le nucléaire faible. Mais à haute énergie, les choses bougent un peu.
A une énergie d’environ 246 GeV, les forces électromagnétique et nucléaire faible cessent d’être distinctes. Au lieu de cela, ils fusionnent en une seule super-force connue (à juste titre) sous le nom de force électrofaible. Et voici quelque chose de sauvage : à ces énergies, il n’y a que trois forces de la nature, pas quatre. Une fois que vous descendez en dessous de cette énergie, la force électrofaible se décompose en forces électromagnétiques et nucléaires plus familières.
En physique, cette division est appelée “rupture spontanée de symétrie”. La force électrofaible unifiée présente une symétrie mathématique profonde, mais cette symétrie ne peut être maintenue qu’à des énergies élevées. Dans notre expérience quotidienne, cette symétrie est cachée (ou brisée) et les deux forces composantes de l’électrofaible semblent être très différentes, même si elles sont en réalité des manifestations d’une force singulière plus profonde.
Pourquoi s’arrêter là ? Les physiciens soupçonnent qu’à des énergies encore plus élevées, la force nucléaire forte rejoint le parti, créant une force unique connue sous le nom de GUT - une théorie de la grande unification. Ce n’est pas une simple spéculation inutile. Les constantes qui définissent les forces des forces changent avec l’énergie, et à des énergies suffisamment élevées, elles ont toutes à peu près les mêmes forces, signalant que l’unification est une option viable. Au-delà de cela, à des énergies presque insondables, on pense également que la gravité se joint aux autres pour créer un Voltron de physique fondamentale : une théorie du tout.
Le principal défi est que nous n’avons pas de GUT, encore moins une théorie du tout. Nous avons des théories candidates, comme la supersymétrie, pour fournir un GUT, mais elles ont échoué dans les recherches expérimentales. La théorie des cordes va un peu plus loin pour tout gérer, mais nous ne savons même pas comment tester cela. Cela signifie que nous manquons des connaissances mathématiques pointues nécessaires pour percer le brouillard de l’univers extrêmement précoce, lorsque les symétries régissant les forces fondamentales sont restées intactes.
Au fur et à mesure que notre Univers se dilatait et se refroidissait, il traversait des transitions de phase radicales, les quatre forces de la nature se séparant une à une de l’unification. Et nous soupçonnons que pendant l’une de ces transitions de phase, des cordes cosmiques sont nées.
Lorsqu’un système physique subit une transition de phase, il y a une perte de symétrie. Par exemple, un crayon en équilibre sur sa pointe est dans un état de haute énergie et également magnifiquement symétrique - il a le même aspect sous n’importe quel angle d’observation autour de lui. Mais le crayon parfaitement équilibré est instable ; lorsqu’il tombe, la symétrie se brise, le crayon «choisissant» un endroit pour tomber sur la table en dessous. Pour la physique de ce système particulier, peu importe où le crayon tombe - il peut tomber soit à gauche, soit à droite, par exemple. L’endroit précis où le crayon atterrit est arbitraire et n’affecte pas l’image plus grande, c’est-à-dire que le crayon est maintenant dans un état plus stable, à plus faible énergie et moins symétrique.
Lorsque notre Univers a subi les transitions de phase vers des états de basse énergie, avec les forces de la nature séparées les unes des autres, il y avait une liberté similaire de choisir exactement comment briser ces symétries. La « direction » de la brisure de symétrie (expliquée par un terme mathématique qui n’affecte pas la physique sous-jacente) est totalement arbitraire et est choisie au hasard. Et pour la plupart, cela n’a pas d’importance.
Mais regardons une autre analogie pour voir pourquoi c’est parfois le cas. L’eau liquide a plus de degrés de liberté - plus de symétrie - qu’un bloc de glace rigide. Lorsque l’eau commence sa transition de phase et gèle, les molécules d’eau doivent décider dans quelle direction commencer à construire leur réseau cristallin. En d’autres termes, l’eau doit briser sa symétrie fondamentale lorsqu’elle atteint un état d’énergie inférieure, mais la façon dont cette symétrie est brisée est indiscriminée. Les cristaux de glace pourraient se former dans une direction gauche-droite, par exemple, ou tout aussi dans une direction haut-bas (je simplifie la formation des cristaux de glace, bien sûr, juste pour dépasser cette analogie aussi rapidement que possible). Peu importe la direction choisie par les molécules d’eau ; de toute façon, vous obtenez de la glace.
Mais que se passe-t-il si une partie de l’eau commence à geler de haut en bas, tandis qu’une autre partie de l’eau commence à geler de gauche à droite ? Finalement, vous aurez deux ensembles de molécules d’eau disposées dans des orientations différentes. Là où ces deux ensembles se rencontrent, il y aura un mur de domaine, une frontière entre les deux régimes qui nous apparaît visible comme une fissure ou un défaut dans le glaçon. Allez-y, ouvrez votre congélateur et vérifiez-le : les symétries brisées se manifestent.
Cela peut se produire avec n’importe quelle transition de phase, y compris celles de l’Univers infantile qui ont déclenché l’éclatement des forces. Différentes régions de l’Univers auraient pu rompre leurs symétries de différentes manières. Quoi qu’il en soit, dans tout l’Univers, vous obtenez les mêmes forces fondamentales opérant de la même manière, mais ces petits termes mathématiques qui n’affectent pas la physique peuvent prendre des valeurs différentes d’un endroit à l’autre. Tout comme dans la glace, lorsque ces régions se rencontrent, vous obtenez des fissures. Défauts. Défauts dans l’espace-temps lui-même.
Les cordes cosmiques peuvent prendre diverses propriétés hypothétiques en fonction de la transition de phase qui les a engendrées et de la manière dont cette transition de phase particulière s’est déroulée. Mais toutes les cordes cosmiques partagent une chose en commun : la tension. Beaucoup.
Une corde cosmique est une faille dans l’espace-temps, une tache dans le tissu de l’Univers. Les cordes cosmiques tirent et pincent l’espace-temps sur toute leur longueur, comme les plis d’un morceau de papier. Ce plissement se manifeste par un déficit de la quantité habituelle d’espace-temps autour d’un objet. Si vous faites le tour d’un crayon, le cercle que vous dessinez totalisera 360 degrés. C’est un peu la définition d’un cercle. Mais si vous faites le tour d’une corde cosmique, l’espace qui l’entoure est tellement déformé que lorsque vous terminez votre voyage et revenez à votre point de départ, vous constaterez que vous avez parcouru moins que les 360 degrés habituels.
En relativité générale, vous ne pouvez pas plier l’espace-temps sans source de masse ou d’énergie. Dans le cas des cordes cosmiques, cette énergie provient de l’énorme quantité de tension intégrée à la corde cosmique elle-même. C’est, après tout, pincer ensemble deux régions de l’espace-temps.
La tension est une forme d’énergie, et si vous rassemblez beaucoup d’énergie, vous obtenez une masse, donc bien qu’elles ne soient constituées que de l’espace-temps lui-même, les cordes ont une masse. La masse typique d’une corde cosmique dépend de nombreux facteurs théoriques, mais une bonne règle empirique est qu’un kilomètre de corde cosmique peut l’emporter sur l’ensemble de la planète Terre.
En termes de dimensions, les cordes cosmiques ne sont probablement pas plus larges qu’un proton, bien que la taille précise soit régie par la transition de phase qui a déclenché leur formation. Quant à leurs longueurs, eh bien, cela peut être un peu compliqué, car les cordes cosmiques peuvent mener des vies très intéressantes.
Parce que les cordes cosmiques sont l’endroit où deux régions de l’Univers brisé se rencontrent, et que le même Univers s’étend continuellement, en première approximation, les cordes cosmiques couvrent simplement tout l’Univers observable. Mais les chaînes sont également dynamiques, et si l’Univers peut produire une chaîne, il n’y a aucune raison pour qu’il ne puisse pas en produire un réseau entier.
Lorsque les cordes cosmiques se croisent, elles se séparent au point d’intersection, brisant les cordes plus grandes en plus petites. Parfois, une chaîne peut boucler sur elle-même. Lorsque cela se produit, la boucle se détache, s’éloigne et laisse derrière elle une chaîne parente plus courte.
Ainsi, une collection de cordes nées dans l’Univers primitif peut rapidement évoluer vers un réseau de longueurs couvrant le cosmos, de segments plus courts et de boucles flottant librement.
En fait, il y a quelques décennies à peine, les cosmologistes pensaient qu’un tel réseau de cordes cosmiques constituait l’épine dorsale de la structure à grande échelle de l’Univers. Aux plus grandes échelles du cosmos, les galaxies forment des amas et des superamas dans un modèle en forme de toile connu sous le nom de… eh bien, la toile cosmique. La toile cosmique ressemble vaguement à un réseau de cordes, alors les cosmologistes se sont ouvertement demandé si les deux étaient liés. Au début de l’histoire de l’Univers, pensait-on, les cordes cosmiques généraient la légère attraction gravitationnelle qui permettrait à la matière de s’accumuler près d’elles, créant un cadre squelettique qui finirait par donner naissance à de grandes collections de superamas.
Hélas, une analyse plus approfondie de la toile cosmique et des images détaillées du fond cosmique des micro-ondes - le motif de lumière rémanente généré lorsque notre Univers est passé d’un plasma à un état neutre alors qu’il avait 380 000 ans - a exclu la contribution des cordes cosmiques. Ces types de réseaux n’avaient tout simplement pas le bon type de propriétés statistiques pour expliquer la distribution de la matière à grande échelle.
Mais il pourrait y avoir d’autres moyens de trouver des cordes cosmiques. L’une est par l’observation directe et simple. Les objets massifs courbent le chemin de la lumière. Comme regarder dans un miroir funhouse ou à travers un morceau de verre déformé, nous pouvons voir plusieurs images du même objet d’arrière-plan. Prenons, par exemple, les amas de galaxies. Nous voyons régulièrement des galaxies d’arrière-plan apparaître à plusieurs endroits, la lumière d’une seule source se tordant, se contorsionnant et se répétant de manière fantaisiste.
Si une corde cosmique se trouve entre nous et une galaxie lointaine, nous verrons deux copies de la même image, séparées par la gravité de la corde. Malheureusement, des efforts considérables pour trouver de telles images doubles se sont révélés vains.
Il va probablement sans dire que vous ne voulez pas rencontrer une corde cosmique de près et personnelle ; avec cette quantité de tension, de densité et d’énergie, il pourrait simplement vous traverser comme un couteau chaud dans du beurre. Étant donné que les recherches d’étoiles et de planètes découpées ne seront probablement pas fructueuses (parce que nous n’avons aucune idée de ce qui se passerait et donc de ce qu’il faut rechercher), nous devons trouver d’autres moyens pour que les chaînes interagissent avec l’Univers qui les entoure. Les cordes peuvent potentiellement se coupler au modèle standard de la physique des particules de nombreuses manières : elles peuvent émettre directement un rayonnement électromagnétique ou engendrer des particules massives de courte durée qui se désintègrent ensuite en pluies de photons, de neutrinos, d’antiparticules, etc. Selon la théorie qui les soutient, les cordes cosmiques peuvent briller de toutes sortes de façons. Mais encore une fois, les recherches de sabres laser cosmiques géants balayant l’Univers n’ont rien trouvé.
Le dernier effort pour trouver des preuves des cordes cosmiques passe par les ondes gravitationnelles. Une seule corde cosmique droite n’émettra pas d’ondes gravitationnelles, mais lorsque deux cordes se rencontrent (ou lorsqu’une corde se croise), le pincement au point d’intersection forme une pointe. Cette cuspide se déplace le long de la corde presque à la vitesse de la lumière, émettant une rafale d’ondes gravitationnelles dans le processus (et, dans certains modèles, un faisceau de rayonnement ou de particules à haute énergie avec lui). Alors que les segments de cordes ininterrompus peuvent durer pratiquement éternellement, les boucles de cordes se tortillent furieusement, émettant d’énormes quantités d’ondes gravitationnelles à mesure qu’elles rétrécissent et finissent par disparaître.
Étant donné que l’hypothétique réseau de cordes, né dans l’Univers primitif, a subi des milliards d’années de pincement, de bouclage et d’agitation, une partie de toutes les ondes gravitationnelles qui déferlent actuellement sur la Terre devrait être causée par eux. Mais une fois de plus, après des décennies de recherche, il n’y a pas eu de signal concluant, ni de l’éclatement aigu d’une cuspide mobile, ni du bruit de fond général de la désintégration.
Que se passe-t-il? Les cordes cosmiques semblent être une prédiction générique de notre compréhension (certes floue) de l’Univers primordial. Nous ne savons peut-être pas exactement ce qui s’est passé il y a tous ces milliards d’années, mais nous sommes assez certains que cela impliquait des transitions de phase et que ces transitions de phase devraient soutenir l’existence de défauts topologiques comme les cordes cosmiques.
Et même si les cordes cosmiques n’avaient initialement rien à voir avec leurs cousines, les cordes trouvées dans la théorie des cordes (qui étaient délibérément appelées supercordes pour les distinguer des cordes cosmiques), des travaux théoriques récents ont montré que dans certains cas, les supercordes peuvent se développer à partir de sous-cordes. -Des longueurs planckiennes à des tailles gargantuesques, devenant des cordes cosmiques dans le processus. Une découverte confirmée de cordes cosmiques pourrait bien donner du crédit à la théorie des cordes elle-même.
Nous sommes donc dans une situation où nous soupçonnons fortement qu’il devrait y avoir des cordes cosmiques criblées dans tout l’Univers. Et pourtant, des décennies de recherches directes et indirectes n’en ont trouvé aucune. Du tout. Il nous reste deux conclusions. Soit notre compréhension de la physique de l’univers primitif est loin de la base et les cordes cosmiques ne sont pas aussi génériques que nous le pensons, soit nous ne comprenons pas comment les cordes cosmiques se manifestent dans le cosmos moderne et nos observations sont manque quelque chose.
Ou les deux. Les deux sont définitivement une option. N’hésitez pas à insérer votre propre jeu de mots tordu dans les nœuds ici.
Source: https://arstechnica.com/science/2022/09/the-big-bang-should-have-made-cracks-in-spacetime-why-havent-we-found-them/
