L'Univers primordial ressemblait à un océan refroidissant à toute allure. À des températures colossales, tout était unifié – les quarks, les électrons, les interactions se fondaient en une « vapeur » symétrique. Mais à mesure que l'expansion et le refroidissement se produisaient, cette vapeur se condensait, les transitions de phase se succédaient, comme l'eau qui se transforme en glace. Et tout comme dans un étang qui gèle apparaissent des fissures et des bulles, dans le cosmos refroidissant surgissaient des défauts topologiques – des ruptures stables dans les champs, nées de la brisure de symétrie.
C'est exactement le tableau que dresse un nouveau travail théorique. Les auteurs ont examiné un scénario possible : la violation successive de la symétrie de jauge SU(2) → U(1) → Z₂ → 1. D'abord, alors que l'Univers n'avait que 10⁻¹⁰ secondes, l'interaction forte s'est séparée – et ont vu le jour des monopôles magnétiques (des particules avec un seul pôle magnétique), prédits par Gerard 't Hooft. Un peu plus tard, des cordes cosmiques unidimensionnelles se sont formées – des filaments d'énergie pure d'une épaisseur comparable à un noyau atomique, mais dotés d'une masse comparable à une chaîne de montagnes par mètre. Puis sont apparues des parois de domaine bidimensionnelles, divisant le vide en régions aux propriétés différentes.
Les parois ne pouvaient pas exister éternellement – elles s'attiraient mutuellement et s'effondraient, s'enroulant autour des cordes. Un réseau de cordes composites s'est formé, dont le destin dépendait de paramètres subtils : l'inflation, proposée par Alan Guth, et l'effet tunnel quantique. Dans une variante, les cordes sont pratiquement éternelles ; dans une autre, elles se désintègrent lentement ; dans une troisième, elles vivent peu de temps mais parviennent à émettre des ondes gravitationnelles. À l'aide de simulations numériques et des équations de Friedmann, les scientifiques ont calculé quel fond d'ondes gravitationnelles (une ondulation de la courbure de l'espace-temps, prédite par les équations d'Einstein) apparaît dans chaque scénario.
Les résultats sont encourageants. Pour une tension adimensionnelle de la corde Gμ allant de 10⁻¹² à 10⁻¹⁰, le pic du signal se situe dans la région des centaines de hertz – là où opèrent les interféromètres laser au sol LIGO (qui ont découvert les ondes gravitationnelles sous la direction de Rainer Weiss) et le futur Einstein Telescope. Pour des cordes plus massives (Gμ ∼ 10⁻⁷) et un délai de formation du réseau $d_s$ ≳ 10⁷, le fond se déplace dans la gamme du nanohertz, accessible aux réseaux de chronométrie de pulsars comme NANOGrav. Ces « horloges cosmiques » – des pulsars – comparent leur rythme à des étalons atomiques, et le moindre écart trahit le passage d'une onde gravitationnelle. Dans les trois scénarios, l'amplitude $Ω_{GW}$ h² se situe entre 10⁻¹⁰ et 10⁻⁸ – assez pour être captée.
Ce travail n'est pas qu'un exercice mathématique. Si le signal est détecté, il deviendra une preuve directe des transitions de phase dans les premiers instants après le Big Bang et permettra peut-être de jeter un coup d'œil au-delà du Modèle standard – là où se cache l'unification des interactions. Les ondes gravitationnelles deviennent une sorte de « lumière fossile » provenant d'une époque inaccessible aux accélérateurs. Et c'est aussi l'histoire de la manière dont les objets les plus exotiques – monopôles, cordes, parois – peuvent laisser derrière eux un bourdonnement silencieux mais persistant, vibrant dans le tissu de l'Univers. Et nous apprenons pour la première fois à l'entendre.
Dans ce modèle, le flux magnétique du monopôle est le double de celui de la corde – un héritage de la symétrie d'origine qui a laissé sa marque dans la structure des défauts.
Dans la série de science-fiction « Star Trek », les cordes cosmiques apparaissent comme des sources de puissantes perturbations gravitationnelles – quelque chose de similaire est examiné dans ce travail, mais avec un accent sur la détectabilité réelle.