dilaton

Une pierre tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface de l'eau. De la même manière, les corps massifs engendrent des ondes gravitationnelles, mais c'est l'espace lui-même qui oscille. Jusqu'à présent, ces ondes étaient captées par d'immenses détecteurs : ils frémissent légèrement lorsqu'une onde les traverse.

Dans le cosmos lointain existe un objet hypothétique : un trou noir ultra-froid. Il est chargé et se trouve dans un univers en expansion (l'espace de Sitter). Sa température est proche du zéro absolu — environ un billionième de degré au-dessus.

Un trou noir tournant presque à la limite ressemble à un athlète qui frôle le record. Le plus intéressant ne se passe pas dans le trou lui-même, mais dans la fine pellicule d'espace-temps à son horizon. C'est là que d'infimes ajouts à la gravitation einsteinienne peuvent soudainement atteindre des proportions gigantesques.

La lumière se fige au bord de l'abîme – c'est ainsi que se présente l'horizon des événements d'un trou noir classique. Mais au centre de cet abîme se cache une singularité, un point où les lois de la physique cessent de fonctionner.

Dans les premiers instants, l'Univers s'est étendu à une vitesse prodigieuse. Ce processus est appelé inflation, et la force motrice est le champ de l'inflaton. Son énergie a poussé l'espace à s'étendre, comme la levure fait lever la pâte. Mais les physiciens soupçonnent que des « bulles » ont pu rester dans la pâte — des particules superlourdes nées de l'expansion elle-même.

En 1929, Edwin Hubble a pointé son télescope vers des galaxies lointaines et a découvert qu'elles s'éloignent. Quatre-vingt-dix ans plus tard, deux mesures de cette vitesse d'éloignement – l'une issue de la lumière ancienne, l'autre d'étoiles proches – refusent obstinément de coïncider.

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.

En 10⁻³⁵ seconde après le Big Bang, la partie la plus fulgurante s'est jouée. L'espace s'est dilaté plus vite que la lumière — c'est l'inflation. Presque toute la partition était interprétée par un seul champ, l'inflaton, qui dirigeait le tempo et la tonalité.

Le modèle standard de la physique des particules est un catalogue de toutes les briques connues de l'univers : électrons, quarks et autres. Mais il reste muet sur la matière noire et ne s'entend pas avec la gravité.

10⁻¹²⁰. Ce n'est pas simplement un petit nombre — c'est un gouffre. C'est le rapport entre la densité de l'énergie noire et la densité de Planck, l'échelle naturelle de la gravité quantique. L'écart colossal de cent vingt ordres de grandeur a longtemps semblé une énigme insoluble.

Après le Big Bang, l'univers a traversé une série de transitions de phase — comme l'eau qui se transforme en glace, mais avec des motifs imprévisibles.

Le monde qui nous entoure est en trois dimensions — mais ce n'est peut-être qu'une apparence. Certaines théories admettent que l'espace contient des dimensions supplémentaires, repliées ou étirées d'une manière particulière. L'un de ces modèles décrit un univers à cinq dimensions avec une dimension « diluée » (appelée dilaton linéaire).

L'espace dans lequel nous vivons semble tridimensionnel. Mais lorsque les physiciens tentent de réconcilier la gravité avec la mécanique quantique, les dimensions habituelles commencent à se comporter étrangement.

Une grande cuve souterraine remplie de xénon liquide attend un événement rare : une secousse provoquée par une particule de matière noire. En temps normal, la gravité est trop faible pour qu'une telle secousse soit perceptible.

L'espace-temps n'est pas vide : il tremble. Après le Big Bang, l'Univers était rempli du bourdonnement des ondes gravitationnelles, semblable au grondement grave d'une cloche géante.

Au centre de l'attention, un trou noir, mais pas ordinaire. Il porte un monopôle magnétique et est entouré d'un dilaton – un champ qui brouille les frontières habituelles de l'espace. Les auteurs ont testé la résistance de ce système aux chocs thermiques.

Au début du XXe siècle, Albert Einstein a montré que la gravité est une courbure de l'espace et du temps. Un peu plus tôt, James Clerk Maxwell avait uni l'électricité et le magnétisme en une seule théorie.

Un trou noir est un endroit où la gravité est si forte que même la lumière ne peut s'en échapper. Mais autour de lui, il y a un anneau lumineux de gaz, et au centre, une dépression sombre que l'on appelle l'ombre. La taille de cette ombre dépend de la courbure de l'espace-temps.

L'Univers s'étend de plus en plus vite grâce à l'énergie noire. Mais les mesures de cette vitesse donnent des résultats contradictoires. Une nouvelle explication : dans le passé, l'énergie noire aurait agi comme un frein, ralentissant la fuite des galaxies, avant de passer à l'accélération. Comme une voiture qui recule d'abord, puis fonce vers l'avant.

La lumière la plus ancienne de l'Univers voyage vers nous depuis près de 14 milliards d'années. Elle est née lorsque le cosmos est devenu transparent, et depuis, son plan d'oscillation tourne imperceptiblement. La cause : un océan invisible qui imprègne tout l'espace — le champ d'énergie sombre qui accélère l'expansion de l'Univers.

D'un côté de la balance, toute la matière de l'Univers ; de l'autre, toute l'antimatière. Selon les lois de la physique, au moment de la naissance du monde, les plateaux auraient dû s'équilibrer. Mais nous voyons qu'un plateau l'emporte : autour de nous, il y a des étoiles, des planètes, des humains, et presque pas d'antimatière.

Une pierre jetée dans l'eau laisse des ronds. Un satellite en orbite autour de la Terre laisse aussi une trace — non pas sur l'eau, mais dans les lois de la physique. Son orbite n'est pas une ligne figée : elle pivote lentement, comme l'aiguille d'une horloge géante.

À l'intérieur du proton, ça bouillonne. Les quarks n'y sont pas simplement assis — ils sont collés par des particules messagères, les gluons (du mot anglais glue — colle). D'habitude, cette colle est étalée uniformément, comme du beurre sur une poêle. Mais quand les énergies deviennent énormes, les gluons commencent à se regrouper en amas.

L'Univers est en expansion, et son histoire comporte deux épisodes étonnants qui ne cadrent pas encore avec un modèle simple. Le premier est une courte période de jeunesse où tout s'éloignait plus vite que prévu, comme si quelqu'un avait appuyé sur l'accélérateur. Le second est l'accélération actuelle, comme si la même pédale était de nouveau enfoncée, mais plus doucement.

Un ballon gonflable se gonfle d'abord lentement, puis tout à coup – de plus en plus vite, comme si quelqu'un le gonflait de l'intérieur. C'est à peu près ainsi que se comporte notre Univers : les galaxies s'éloignent en accélérant. La coupable de cette accélération est appelée énergie noire.

L'univers est une immense ville. La matière noire en est la charpente invisible, et l'énergie noire la force qui étire les rues. Longtemps considérées comme indépendantes, une nouvelle étude les surprend en pleine conversation secrète.

Juste après le Big Bang, l'espace s'est dilaté à une vitesse inimaginable — c'est l'inflation. Aujourd'hui, l'expansion a ralenti, mais les galaxies s'éloignent de plus en plus vite. La coupable de cette accélération a été nommée énergie noire.

Dans les années 1920, Edwin Hubble a remarqué que les galaxies s'éloignent les unes des autres – c'est ainsi que l'expansion de l'univers a été découverte.

Dès les années 1930, Fritz Zwicky avait remarqué que les vitesses des galaxies dans les amas étaient trop élevées pour la masse visible. Plus tard, Vera Rubin confirma ce phénomène pour des galaxies individuelles.

Les objets quantiques vivent dans un monde de superpositions — à la fois ici et là, avec un spin et un autre. Mais dès qu'ils acquièrent une masse suffisante, cette magie se dissipe. Roger Penrose a suggéré que la gravité elle-même est en cause.

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.

Une galaxie, c'est un peu une autoroute cosmique où les étoiles, telles des voitures, filent en rond. Leur vitesse dépend de la « charge » invisible à l'intérieur de leur orbite : plus il y a de masse, plus les véhicules extérieurs vont vite.

Une bouilloire ordinaire : on chauffe — la température monte, et avec elle le désordre des molécules, la vapeur s'échappe. Mais en laboratoire, on a créé une « bouilloire » inhabituelle — un trou noir analogique fait de circuits supraconducteurs refroidis à l'extrême.

Une feuille de papier pliée peut être percée avec un crayon — et le chemin entre deux points devient plus court. C'est à peu près l'idée d'un trou de ver : un tunnel dans l'espace reliant des régions éloignées.

Un ballon de baudruche dans la main rebondit également dans toutes les directions. En revanche, une bouteille de soda se comporte différemment : le long du goulot, elle est rigide, mais transversalement, elle se déforme facilement. C'est à peu près ainsi que fonctionne la pression à l'intérieur de certaines étoiles : elle peut être inégale selon les directions.

Une pierre jetée dans un étang crée des ondulations qui se propagent loin. Mais si on la jette dans une gelée épaisse, les vagues s'éteignent presque immédiatement. C'est à peu près ainsi que se comporte un champ gravitationnel supplémentaire selon la description mathématique choisie.

Personne n'a jamais vu la matière noire, mais chaque galaxie ressent son attraction. On se l'imagine souvent comme une mer de particules identiques et silencieuses. La nouvelle étude dresse un tableau plus vivant : deux sortes de particules, lourdes et légères, en échange constant.

Dans le cristal HfTe5, les électrons se comportent presque comme la lumière : leur masse est si faible qu'ils obéissent aux lois de la relativité. Si l'on place un tel cristal dans un champ magnétique intense, les électrons se mettent à tourner sur de petites orbites.

Un minuscule supraconducteur en lévitation au-dessus d'un aimant, c'est comme un bouchon à la surface d'un océan invisible. Le moindre souffle de matière noire le fait frémir. Les scientifiques ont envisagé deux types de ce « vent ».

Les trous noirs évoquent des entonnoirs dans un drap tendu. Mais si l'on admet une cinquième dimension, le drap se dote de ressorts cachés. Toute masse, même non chargée, ne l'enfonce plus jusqu'à l'infini, mais jusqu'à une limite nette.