champ gravitationnel

Un rayon de lumière, en passant près d'un corps massif, change légèrement de direction — comme un jet d'eau qui contourne une pierre dans un ruisseau. Dans le Système solaire, il y a beaucoup de ces « pierres » : les planètes, leurs satellites, les astéroïdes.

Un supraconducteur expulse le champ magnétique comme une éponge expulse l'eau. Cet effet Meissner est connu depuis près d'un siècle, mais on le calcule généralement dans un monde plat, sans gravité. Dans le champ intense d'un trou noir ou à vitesse énorme, le tableau change.

La théorie quantique des champs est le langage dans lequel les physiciens décrivent les particules élémentaires et leurs interactions. Les auteurs de l'étude ont décidé de « retoucher » ce langage en introduisant des déformations, c'est-à-dire de petits changements dans les règles du jeu.

Une balance qui ne pèse pas un corps, mais l'espace qui l'entoure. C'est ainsi que fonctionnent les équations d'Einstein dans la relativité générale : elles relient la courbure de l'espace-temps à ce qui s'y trouve.

Au cœur de presque chaque galaxie se cache un trou noir supermassif. Sa gravité est si puissante qu'elle déforme l'espace lui-même. Mais peu de gens se demandent : que fait-elle à la trame même de la réalité, aux champs qui imprègnent le cosmos ? L'un de ces champs est le champ de Higgs.

Le plan technique d'un gratte-ciel comporte toujours un chiffre : la charge maximale sur les fondations — disons 500 kilopascals. Les équations d'Einstein dans un espace-temps courbe imposent une limite similaire à la « charge de force » à l'intérieur des étoiles, des planètes et de tout autre amas de matière.

Deux balles lancées depuis des hauteurs différentes tombent au sol avec des accélérations différentes. Dans l'espace, tout est plus complexe : même le vide fait bouger les corps différemment.

Une onde quantique évoque une photo en pose longue : tout est flou, mais c'est précisément ce flou qui révèle le mouvement. D'ordinaire, on considère ces ondes figées comme une abstraction commode.

Baissez la lumière. Sur scène, un théâtre d'ombres où il n'y a que r marionnettistes — mais l'écran obéit aux lois de la courbure de l'espace-temps hyperbolique. Chaque geste de la main engendre un motif que les mathématiciens appellent un groupe discret d'isométries.

Au centre de nombreuses galaxies se cachent des trous noirs — des régions où la gravitation est si forte que même la lumière ne peut s'en échapper. Autour d'eux, des étoiles tournent souvent, et parfois l'une d'elles est un pulsar, un phare cosmique qui émet des impulsions radio strictement périodiques.

Dans les premiers instants, l'Univers s'est gonflé à une vitesse inimaginable — cette phase est appelée inflation. On pense qu'à ce moment-là, des particules de matière noire ont pu naître du vide — cette substance invisible qui empêche les galaxies de se disperser.

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.

Deux flotteurs sur les vagues. Si l'on jette une pierre dans l'eau, les cercles se propagent et font tanguer les deux flotteurs l'un après l'autre — pas en même temps. Dans le monde quantique, ce « tangage » s'appelle l'intrication : les particules, comme des flotteurs, commencent à se déplacer de manière coordonnée.

L'inflation est l'expansion ultra-rapide de l'Univers dans ses tout premiers instants. Elle a été provoquée par un champ semblable à une boule dévalant une colline. Mais à côté, il pourrait y avoir eu une seconde boule, presque imperceptible. Les auteurs de l'étude ont examiné précisément ce cas : un champ léger (l'axion), figé au sommet de son potentiel.

On peut imaginer l'espace-temps comme une toile tendue. Un corps massif la déforme, guidant la lumière. La rotation, elle, tord la toile en spirale. Cet entonnoir gravitationnel est capable d'intriquer un photon qui passe avec la source même de la rotation — par exemple, un minuscule miroir.

Deux cailloux tombent dans l'eau, et les rides à la surface se croisent, mêlant leurs motifs. C'est à peu près ce que font les neutrinos : des particules légères qui nous traversent par milliards chaque seconde. Elles savent se transformer d'un type à un autre, comme un acteur qui change de masque. Cette danse, les physiciens l'appellent oscillation.

On étire un matelas gonflable sur lequel tourbillonne un entonnoir d'eau. Lorsqu'on l'étire, l'entonnoir se resserre : sa taille relative à la surface totale diminue.

La gravitation est une courbure de l'espace-temps, et non une simple attraction, comme l'a montré Einstein. Sur une telle « piste de danse » incurvée, même les porteurs hypothétiques de la gravitation, les gravitons, se déplacent de manière singulière.

Une pierre tombe dans un étang — des ronds se propagent à la surface de l'eau. Si la pierre ne tombe pas mais frôle la surface à très grande vitesse, son passage crée une onde droite qui court sur l'eau. Lorsque cette onde heurte une bûche flottante, des ronds se forment à nouveau à partir du point d'impact. C'est à peu près ainsi que fonctionne la gravité dans ce nouveau travail.

Le moteur à distorsion crée autour du vaisseau une bulle qui comprime l'espace devant et l'étire derrière. C'est une astuce pour contourner l'interdiction des vitesses supraluminiques vitesse de la lumière sans violer la théorie d'Einstein.

Une pierre tombe dans un étang : près du bord, les rides sont presque invisibles, mais à l'endroit de l'impact, l'eau bouillonne. Le champ électrique autour d'une charge se comporte de la même manière : à proximité, il est intense et chaotique ; à distance, il s'étire en une onde régulière qui emporte de l'énergie.

L'espace-temps s'apparente à un cristal géant. Les ondes gravitationnelles, nées de la collision de trous noirs, ne se contentent pas de le faire trembler : elles y laissent des défauts indélébiles.

Une poignée de sable se dépose sur la table. Les grains s'arrangent de différentes manières, mais si la poignée est grande, le volume total change à peine. C'est à peu près ainsi que fonctionne la gravité classique : l'espace semble lisse et déterminé.

Si vous jetez une poignée de paillettes dans une rivière, certaines suivront le courant, d'autres tournoieront dans de petits remous. Les galaxies de l'Univers font de même : elles ne s'éloignent pas seulement à cause de l'expansion, elles tourbillonnent aussi dans des flux géants, comme des copeaux de bois dans des tourbillons invisibles.

Une toupie lourde lancée près d'un trou noir ne suit pas la courbe que tracent les manuels. Sa propre rotation et son aplatissement — comme une citrouille écrasée aux pôles — font zigzaguer sa trajectoire. Dans une nouvelle étude, ce chemin sinueux a été calculé plus précisément que jamais.

Déjà au siècle dernier, Vera Rubin a découvert que les étoiles aux confins des galaxies tournent trop vite, comme si une substance invisible les retenait. Depuis, la matière noire reste une énigme. On associe généralement son apparition à de nouvelles particules ou à de nouvelles forces.

Il y a cent ans, les équations d'Einstein prédisaient les trous noirs, mais à l'intérieur, la physique se brisait : les trajectoires des particules s'interrompaient à la singularité, ce point de courbure infinie. C'était une impasse, la fin de l'espace-temps.

Un électron glissant sur les collines et les creux invisibles créés par une texture de spin, voilà à quoi ressemble un nouveau chapitre de la physique de la matière condensée. Dans les matériaux quantiques où la direction des spins localisés varie progressivement (texture de spin), l'électron n'est plus simplement une particule qui traverse le réseau.