Dans les premiers instants de sa vie, l'Univers ressemblait à un chaudron bouillonnant. La matière n'était pas répartie uniformément — des amas et des vides s'y formaient, et leur mouvement tumultueux faisait vibrer l'espace lui-même : ondes gravitationnelles. Aujourd'hui, nous tentons de capter leurs échos — par exemple avec le réseau de radiotélescopes NANOGrav — et de les comparer aux prédictions. Pour cela, les physiciens lancent des simulations numériques sur des superordinateurs, recréant cette tempête primitive.
Mais il y a un hic. Lorsque l'on calcule directement le spectre — la distribution de l'énergie des ondes en fonction de la fréquence — à partir de la simulation, une fine ondulation apparaît aux basses fréquences. Elle ressemble à une ondulation qui n'était pas attendue. La cause n'est pas physique mais mathématique : lors de la moyenne des carrés des amplitudes, des fréquences doublées s'infiltrent dans le signal. Comme si un écho se réfléchissait sur un mur et se superposait à lui-même. Les auteurs de l'étude appellent cela des « ondulations parasites » et montrent qu'elles n'ont rien à voir avec les ondes réelles. Un tel spectre ne peut pas être montré aux observateurs — il induit en erreur.
La solution est venue d'une idée simple : il faut laisser la simulation « refroidir ». Lorsque la source des ondes — par exemple un réseau de parois de domaine (des plis hypothétiques de l'espace-temps) — disparaît, les ondes continuent de se propager dans l'Univers pendant un certain temps. Si l'on prolonge le calcul sur plusieurs temps de Hubble (périodes de doublement de la taille de l'Univers) après l'extinction de la source, les oscillations parasites s'estompent d'elles-mêmes. Les physiciens ont vérifié cela avec le code CosmoLattice, en modélisant justement un réseau de parois de domaine. La simulation prolongée a permis de retrouver la pente infrarouge réelle et lisse du spectre — celle qui porte la mémoire de l'étape la plus tumultueuse de la naissance des ondes.
Les auteurs mettent en garde : l'étirement artificiel des équations à l'aide de la technique bien connue de Press–Riddick–Spergel (PRS) n'est pas approprié ici. Elle donne des spectres incorrects, même si l'on renormalise soigneusement les sources. Seule une continuation physique honnête du calcul, qui a pris quelques temps de Hubble supplémentaires, fait apparaître le vrai signal. La méthode est assez universelle et s'applique à tout modèle numérique de sources hypothétiques d'ondes gravitationnelles dans l'Univers primordial.
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2607.25073
Numerical simulations of gravitational waves (GW) production during violent evolution of matter inhomogeneities in the early Universe yield highly wiggle infrared parts of the spectra. Obtained directly from the two-point correlation function, these wiggles are nonphysical, corresponding to the parasitic, double frequency terms in naively averaged squared oscillation amplitudes of GW, and hence must be washed out. The deep infrared behavior can be predicted on general grounds, e.g. fixed by causality considerations. However, what matters for real observations, e.g. like that of NANOGrav, and what can be only inferred from numerical simulations, is the infrared slope near the maximum of the spectrum. It reflects the dynamics responsible for the GW production in its heyday, and hence must be accurately predicted. We illustrate the problem with numerical simulations of the Domain Wall network performed with the help of code CosmoLattice. We suggest a numerical procedure to smooth out these parasitic wiggles, which allows us to recover the true spectrum. Being quite generic, it may be applied to numerical simulations of other hypothetical sources of GW possibly operating in the early Universe. The procedure requires to extend the simulation by a few Hubble times after termination of the GW production. We checked with numerical simulations, that the technically natural long-time extension of simulations, which becomes available via artificial scaling of different parts in the scalar sector equations provided by PRS prescription, gives wrong GW spectra even if the source terms are properly rescaled.
Un réseau de parois de domaine est constitué de « rides » hypothétiques de l'espace-temps qui auraient pu se former lors du refroidissement de l'Univers, lorsqu'il a traversé des transitions de phase, un peu comme l'eau se transforme en glace.
Dans le roman « Contact » de Carl Sagan, un signal extraterrestre contient le plan d'une machine qui utilise les ondes gravitationnelles pour voyager à travers l'espace-temps.