Il y a mille ans, les Vikings emportaient en mer du spath d'Islande. Ce cristal translucide décomposait la lumière en deux faisceaux. En comparant leur luminosité, ils pouvaient trouver le soleil même dans le brouillard. La biréfringence — le terme physique pour ce phénomène — aide aujourd'hui à traquer la force la plus insaisissable du cosmos.
Cent ans après Einstein, les ondes gravitationnelles ont ouvert une nouvelle fenêtre. Les antennes laser LIGO et Virgo captent les frémissements des fusions de trous noirs et de étoiles à neutrons dans des étoiles binaires serrées. Une course identique pour les polarisations gauche et droite — voilà ce que prédit la théorie standard. Mais les énigmes astrophysiques laissent entrevoir davantage. Dès 1933, Fritz Zwicky avait remarqué une masse cachée dans les amas de galaxies. Plus tard, Vera Rubin l'a confirmé pour des galaxies individuelles. Et en 1998, Adam Riess et ses collègues ont découvert l'expansion accélérée de l'Univers, attribuée à l'énergie noire. Les données du Fond diffus cosmologique et de la structure à grande échelle indiquent une asymétrie globale — peut-être que la gauche et la droite ne sont pas équitables dans le cosmos.
La gravité modifiée propose une issue. Une des théories est la gravité f(R) avec un terme de Chern–Simons. On ajoute à l'action einsteinienne une fonction de la courbure R et un terme brisant la parité. Il transforme l'espace-temps en un gigantesque spath d'Islande : les ondes gravitationnelles gauches et droites ressentent le cosmos différemment. Les auteurs ont calculé l'effet dans deux formalismes : métrique et palatinien. Dans ce dernier, la métrique et la connexion sont indépendantes, comme les notes et l'instrument. Ici apparaît la biréfringence : l'amplitude et la vitesse changent toutes deux. L'équation ressemble à un pendule amorti, mais le frottement et la fréquence dépendent de la polarisation. Formellement : h''_{L,R} + $Ξ_{L,R}$ h'_{L,R} + ω²_{L,R} $h_{L,R}$ = 0, où les indices L et R désignent les ondes gauche et droite.
La comparaison de trois modèles f(R) avec les données cosmologiques a donné des chiffres tangibles. Dans le formalisme palatinien, la biréfringence est amplifiée de quelques dizaines de pour cent, dans le métrique jusqu'au double. D'ores et déjà, les observations tracent les limites du possible. Par la vitesse des ondes issues de la fusion de deux étoiles à neutrons — l'événement GW170817 — le paramètre de couplage est contraint à 10⁻⁷. C'est comme mesurer la distance Terre-Lune avec une précision de l'épaisseur d'un cheveu. Les distorsions de phase dans le catalogue GWTC-3 le contraignent encore plus sévèrement : 10⁻¹⁴. L'effet croît avec le décalage vers le rouge non linéairement mais polynomialement. Aux distances cosmiques où règne l'énergie noire, le signal devient plus perceptible. Les observatoires gravitationnels de nouvelle génération — LISA, Einstein Telescope — écouteront l'Univers à ces profondeurs.
L'antique « pierre solaire » retrouve une seconde vie. À travers les distorsions de polarisation, les physiciens espèrent sonder la nature de l'énergie noire et vérifier si le cosmos est indifférent à la différence entre droite et gauche. Si les détecteurs captent la biréfringence, ce sera une percée. Pas moindre que la découverte de l'expansion accélérée. En attendant, le cristal de l'espace-temps garde ses secrets. Il attend le prochain observateur.
Le spath d’Islande, connu des Vikings comme la « pierre de soleil », aidait à repérer le soleil par temps nuageux. Aujourd’hui, son analogue physique en cosmologie pourrait aider à « voir » l’énergie noire à travers la polarisation des ondes gravitationnelles.