Un chercheur explique comment les ondes gravitationnelles laissent entrevoir la matière noire et les mystères du Big Bang

Les ondes gravitationnelles, des ondulations de l’espace-temps prédites par Einstein il y a près d’un siècle, ont été détectées pour la première fois en 2015. Une nouvelle étude menée par Yanou Cui, professeur associé de physique et d’astronomie à l’Université de Californie à Riverside, rapporte que des formes très simples de matière pourraient créer des arrière-plans d’ondes gravitationnelles détectables peu après le Big Bang.

« Ce mécanisme de création d’ondes gravitationnelles détectables pourrait apporter un éclairage sur le signal d’onde gravitationnelle déroutant récemment capturé par les observatoires de chronométrage des pulsars », a déclaré Cui. « Une autre implication passionnante est que la même forme de matière pourrait être identifiée comme étant la matière noire, la substance mystérieuse qui constituerait la majeure partie de la masse de l’univers et qui a intrigué les scientifiques pendant des décennies. »

L’étude, publiée dans Lettres d’examen physiqueouvre la voie à la découverte de nouvelles théories fondamentales de la physique en utilisant le plus grand laboratoire : l’univers lui-même. Dans les questions-réponses qui suivent, Cui répond à quelques questions sur ses recherches.

Quelles sont ces formes très simples de la matière ?

La forme simple de la matière est un type de matière scalaire ultra-légère. Scalaire signifie que la matière n’a pas de rotation interne (spin) et qu’elle ressemble au boson de Higgs. Ces formes de matière sont très légères, chacune ayant une masse d’un millionième ou même d’un milliardième de celle d’un électron. En raison de leur très petite masse, elles se comportent plus comme des ondes que comme des particules et elles imprègnent l’univers.

Les ondes gravitationnelles (GW) doivent avoir une intensité suffisamment élevée, analogue aux ondes électromagnétiques, pour que les expériences actuelles soient suffisamment sensibles pour les capter. De plus, elles doivent se situer dans les bandes de fréquences auxquelles ces expériences sont sensibles ; jusqu’à présent, seules certaines plages de fréquences GW peuvent être détectées en raison de limitations technologiques.

Ces formes simples de matière génèrent un rayonnement de fond détectable d’ondes gravitationnelles peu de temps après le Big Bang et à aucun autre moment ?

Oui, les ondes gravitationnelles sont générées à une époque où le taux d’expansion de l’univers est proche de la masse du champ scalaire. Il s’arrêterait au-delà de ce point, car la production de particules serait arrêtée à un moment donné par le mécanisme interne. Quand je dis peu de temps après le Big Bang, c’est toujours une fraction de seconde après cela. Bien après le Big Bang, il pourrait y avoir une production d’ondes gravitationnelles provenant de sources astrophysiques telles que les fusions de trous noirs, que l’observatoire d’ondes gravitationnelles à interféromètre laser a observées.

Pourquoi ces formes simples de la matière n’étaient-elles pas connues jusqu’à présent ?

Elles n’interagissent pas avec la matière connue autrement que par une interaction gravitationnelle superfaible. Le signal d’onde gravitationnelle que nous avons démontré est le moyen de les détecter. Mais s’il s’agit de matière noire, nous en avons déjà entendu parler grâce aux preuves générales de l’existence de la matière noire. Encore une fois, comme elles n’interagissent avec la matière visible que par gravitation, qui est très faible, nous n’en savions pas grand-chose auparavant.

Vous dites qu’il serait passionnant d’identifier cette forme simple de matière comme étant de la matière noire. Est-ce parce que nous saurons enfin de quoi est composée la matière noire ?

Oui, c’est l’un des points forts. Mais il est également très difficile de produire des ondes gravitationnelles détectables, et nous avons découvert qu’une forme simple de matière, peut-être la matière noire, peut produire de telles ondes gravitationnelles – une avancée théorique importante. De plus, comme mentionné précédemment, la découverte déroutante de la synchronisation des pulsars l’année dernière peut s’expliquer par ce mécanisme.