corde cosmique

Juste après le Big Bang, l'espace s'est refroidi de manière inégale. À certains endroits, des plis ont pu se former — des filaments d'énergie fins comme un cheveu, mais incroyablement denses. Les physiciens les appellent des cordes cosmiques.

Dans les premières fractions de seconde après le Big Bang, l'Univers était le théâtre de changements rapides. Une membrane en caoutchouc tendue qui refroidit rapidement se couvre de microfissures. Un processus similaire à l'échelle cosmique aurait pu engendrer des cordes cosmiques : des filaments d'énergie extrêmement fins mais superdenses, s'étendant à travers tout l'Univers.

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.

Une corde de guitare, si on la pince, vibre puis s'éteint rapidement. Maintenant, imaginez une corde cosmique : un fil d'énergie pure, vestige du Big Bang, des milliards de fois plus fin qu'un atome et plus dense qu'une étoile à neutrons. Frappez-la, et elle pourrait chanter pendant des milliards d'années.

En mathématiques, il existe un tamis qui ne filtre pas la poussière, mais l'infini lui-même. On l'appelle Q-espace : ici, tout ensemble est un ensemble Gδ — une intersection dénombrable d'ouverts, comme s'il était passé à travers un filet incroyablement fin.

Un objet ne peut pas être un point. Du moins, pas dans la gravité d'Einstein. Les équations de la relativité générale exigent que la source du champ — la matière — soit étalée dans l'espace, et non concentrée dans un volume infiniment petit.

Le bouillon brûlant de l'Univers primordial s'est refroidi de manière inégale. À un moment donné, des bulles de nouvelle phase ont commencé à éclater – comme des bulles de vapeur dans l'eau qui bout. Seulement, ces bulles n'étaient pas faites de vapeur, mais d'un nouvel état de la matière, dans lequel les particules du secteur sombre se sont agglutinées en amas plus gros.

Dans le plasma incandescent de l'Univers naissant, juste après l'expansion inflationniste imaginée par Alan Guth, régnait l'ère de la domination cinétique.

L'Univers primordial était un endroit agité. L'espace tremblait sous l'effet des ondes gravitationnelles — des ondulations du tissu même du cosmos. Dans ce chaudron bouillonnant, la matière noire serait née. Mais les particules nouveau-nées n'avaient pas de masse — il fallait bien la faire venir de quelque part.

Tout n'a pas commencé par le vide, mais par un océan bouillonnant de plasma. Dans ce bouillon primordial, des ondes sonores traversaient la matière en feu, se heurtaient et la comprimaient. Parfois, un amas devenait si dense que la lumière ne pouvait plus s'en échapper — et, directement du gaz incandescent, naissait un trou noir primordial.

Dans l'Univers primordial, de minuscules trous noirs ont pu naître — avec la masse d'une montagne, mais la taille d'un noyau atomique. Aujourd'hui, ils pourraient servir d'usines à matière noire.

La gravité ordinaire ressemble à un élastique souple. Une étoile massive, en mourant, le déforme si fort qu'elle forme un trou noir — un piège d'où rien ne sort, pas même la lumière. Le physicien Roger Penrose a suggéré que la nature cache toujours le cœur derrière une telle « censure cosmique ».

L'Univers se comporte comme une bulle de savon qui gonfle dans une mousse multidimensionnelle. Le modèle de la bulle sombre explique pourquoi elle s'étend de plus en plus vite : la bulle d'espace-temps grandit, et sa membrane acquiert une épaisseur minuscule — environ un micron, comme une bactérie.

Un trou noir n'est pas simplement un aspirateur cosmique. C'est une région où la gravité est si intense que même la lumière ne peut s'en échapper. Mais si on le plonge dans un fluide parfait de matière noire et qu'on ajoute un nuage de cordes — de fins filaments tendus à travers tout l'espace — le tableau se complique.

Juste après le Big Bang, dans le chaudron bouillonnant d'un univers en refroidissement, comme dans un verre qui se fige irrégulièrement, des tensions sont apparues — de minuscules fissures de la réalité, les cordes cosmiques.

Une corde fondamentale, pincée au moment du Big Bang, ne se contente pas de bourdonner sur une seule note : des vagues courent le long d'elle, et de temps en temps, de minuscules boucles se détachent. Ces boucles, comme des diapasons, se mettent à vibrer à leur fréquence propre, produisant un son très aigu.

Un cristal, c'est comme un régiment en parade : chaque atome à sa place, et les électrons y défilent en ondes régulières. Un matériau amorphe, c'est une foule dans une gare : aucun ordre, juste une cohue permanente. Dans une telle foule, un électron se retrouve vite coincé, comme une personne qui tente de traverser une masse compacte de gens.

L'énigme de la matière noire, repérée pour la première fois dans les tourbillons stellaires par Vera Rubin, taraude la physique depuis près d'un siècle. L'une des hypothèses les plus audacieuses est celle des trous noirs primordiaux, nés dans le bouillon brûlant de l'univers primordial.

Longtemps, l'énergie noire — cette force mystérieuse qui accélère l'expansion de l'Univers — a été considérée comme éternelle et immuable, telle une levure qui ne perdrait jamais de sa vigueur.

Un aimant approché d'une poignée de limaille de fer aligne celle-ci le long de lignes invisibles — c'est ainsi que le champ contourne l'aimant d'un pôle à l'autre. On peut voir la gravité autour des corps massifs d'une manière similaire : seulement, au lieu de la limaille, c'est l'espace lui-même, et au lieu de l'aimant, une étoile ou un trou noir.

L'espace-temps ressemble parfois à une feuille de papier dans laquelle on pourrait percer un trou et relier les bords par un court tube — on obtiendrait un trou de ver. Dans les modèles mathématiques les plus simples de ces trous, apparaissent des champs scalaires sans masse — une sorte de brouillard invisible qui remplit tout autour.

Quand une soupe chaude refroidit, des grumeaux se forment à la surface — de même, l'Univers primordial, en refroidissant, a engendré des filaments d'énergie, les cordes cosmiques. Certaines ressemblent à un élastique tendu : tant qu'il est intact, il est stable. Mais si on l'entaille, il se rompt.

Un aimant avec un seul pôle – nord, sans pôle sud – n'est pas un fragment, mais une particule à part entière. On l'appelle monopôle magnétique (porteur d'une charge magnétique unique). La naissance de tels invités a pu se produire dans l'Univers primordial, lorsque les forces se sont séparées.

Après le Big Bang, l'Univers ressemblait à un ballon bien gonflé : la pression empêchait la matière de s'agglutiner. Mais des particules super-lourdes hypothétiques — de véritables « poids lourds » du monde subatomique — rendaient le ballon moins rigide un instant.

Les gouttes d'un robinet mal fermé battent un rythme régulier. Un rythme semblable, mais à l'échelle de l'univers, vient d'être découvert par des astrophysiciens : la formation des trous noirs primordiaux – ces objets minuscules nés dans les premiers instants après le Big Bang – n'est pas chaotique, mais strictement mesurée.

Un entonnoir géant tourne à une vitesse prodigieuse. Si l'on y jette une corde, en fixant une extrémité au bord et en laissant l'autre à l'extérieur, l'entonnoir commence à enrouler la corde sur lui-même, la faisant tourner. C'est à peu près ce qui se passe pour une corde cosmique près d'un trou noir en rotation.

Dans les premiers instants après le Big Bang, le cosmos ressemblait à un étang géant en train de refroidir. Comme l'eau qui gèle se couvre d'un réseau de fissures, l'Univers en refroidissement aurait pu se craqueler – mais non pas de glace, plutôt de fils infiniment fins d'énergie pure. Ces fils sont appelés cordes cosmiques.

Entre 2016 et 2018, au Grand collisionneur de hadrons du CERN, des protons entraient en collision avec une énergie de 13 téraélectronvolts — comme si deux petits pois étaient accélérés à des vitesses telles que leur impact engendre tout un essaim de nouvelles particules.

L'Univers est une toile immense faite de matière noire invisible et de galaxies, tendue par l'expansion de l'espace. Les neutrinos, ces particules fantômes presque insaisissables, s'accrochent à peine aux fils, mais leur masse totale modifie imperceptiblement la tension de tout le réseau.

Le télescope spatial James Webb a repéré, dans l'Univers primordial, de minuscules objets rouges anormalement brillants. Leur lumière dépasse de plusieurs centaines de fois ce que l'on attendrait de galaxies ordinaires de cette époque.

Les trous noirs sont célèbres pour leur silhouette sombre sur fond de lueur intense. En réalité, ce n'est pas une ombre, mais de la lumière fortement courbée qui contourne l'objet. Pourtant, l'espace abrite leurs jumeaux — des corps superdenses sans horizon des événements qui déforment aussi la lumière, mais à leur manière.

Le Big Bang a été comme un coup de tonnerre cosmique qui a fait vibrer le tissu de l'espace. Ces vibrations — les ondes gravitationnelles — résonnent encore dans l'Univers, telles des échos d'un événement lointain.

Selon des théories qui vont au-delà du modèle standard, dans les tout premiers instants après le Big Bang, des paires de monopôles magnétiques — des particules avec un seul pôle magnétique — auraient été créées. Elles se seraient retrouvées aux extrémités d'une corde cosmique, un fil d'énergie pure.

Lorsque deux trous noirs fusionnent, le trou noir nouveau-né devrait sonner comme une cloche, émettant des ondes gravitationnelles — des ondulations de l'espace. Cependant, un silence peut précéder la sonnerie : le trou noir tombe dans une prison fantôme, comme si une main invisible serrait le battant de la cloche.

L'Univers pourrait se comporter comme un ressort : se comprimer jusqu'à des dimensions microscopiques, puis se redéployer. Dans ce cycle de contraction et de rebond naissent les trous noirs et la matière noire.

Un trou noir en rotation est un tourbillon cosmique qui aspire tout ce qui l'entoure. Certains de ces trous possèdent des filaments invisibles qui s'étendent depuis l'horizon des événements, comme les rayons d'une roue. Les scientifiques ont longtemps débattu de la nature de ces filaments et de la possibilité de les observer.

Au centre de la galaxie NGC 1600, située à 200 millions d'années-lumière de nous, les astronomes ont remarqué un amas d'étoiles dense. Il apparaissait comme un nœud brillant sur le fond d'une lueur diffuse, ce qui était inattendu.

Une cascade ne vous demande pas si vous êtes prêt à sauter. Son flot s'accélère, et à un moment donné, même la lumière ne peut plus s'en échapper. Le trou noir de McVittie est une telle cascade, mais pas dans une rivière ordinaire : dans un univers en expansion. L'eau, ici, c'est l'espace lui-même, qui s'étire continuellement, emportant les galaxies les unes loin des autres.

L'Univers s'étend de plus en plus vite, et l'explication standard est une constante cosmologique positive, c'est-à-dire un vide de Sitter. La théorie des cordes, qui prétend être la gravité quantique, devrait pouvoir décrire un tel vide, mais après des décennies d'efforts, aucune construction fiable n'a vu le jour.