gravité téléparallèle

Un miroir ordinaire échange la gauche et la droite. Beaucoup de lois de la physique ignorent cette substitution : elles sont symétriques par réflexion. Mais certains phénomènes, comme l'interaction faible, brisent cette symétrie.

Un pendule dans une pièce bruyante reçoit constamment des poussées des gens qui passent. Son mouvement est un mélange d'oscillations régulières et de secousses aléatoires. Quelque chose de similaire se produit avec les faibles ondes gravitationnelles sur fond d'Univers en expansion.

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.

D'habitude, on décrit un trou noir comme une image figée : il a une masse, une charge, et tout cela est immobile. Mais les objets réels vivent dans le temps. Ils rayonnent, perdent de l'énergie, changent. Les auteurs de cette nouvelle étude ont pris une solution statique pour un trou noir chargé dans une théorie complexe de la gravitation et l'ont « animée ».

Quand deux trous noirs fusionnent au loin, un frémissement de l'espace nous parvient : ce sont les ondes gravitationnelles. On les décrit habituellement avec les équations d'Einstein, mais que se passerait-il si, aux distances les plus infimes, la gravité fonctionnait autrement ?

Les étoiles à bosons sont des atomes gravitationnels. Mais au lieu d'une charge électrique, c'est la gravité elle-même qui sert de noyau, retenant un nuage de champ scalaire en amas quantifiés. Dès les années 1930, F.

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.

Une bille repose au fond d'un creux. Elle n'en sortira pas toute seule — il faut une impulsion. Mais dans le monde quantique, une particule peut traverser une barrière sans énergie supplémentaire. Cette astuce s'appelle l'effet tunnel.

La frontière dicte ses règles La gravité quantique ressemble à un théâtre où l'espace-temps est la scène et les champs, les acteurs. Lorsque la scène a un bord, il faut savoir précisément ce qui se passe à la frontière : sinon, la pièce s'effondre.

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.

Le trou noir de Schwarzschild est le modèle le plus simple en relativité générale. Mais dès qu'on passe à la gravité téléparallèle (TEGR), où la torsion remplace la courbure, l'horizon pose problème. Certaines quantités construites à partir de la torsion tendent vers l'infini.

Un bâtisseur vérifie la solidité d'une arche non pas en passant en revue toutes ses formes possibles, mais en la déplaçant mentalement un peu et en observant combien de forces sont dépensées. C'est à peu près ainsi que fonctionne le principe du travail virtuel en mécanique. Les auteurs de ce nouveau travail ont transposé cette approche à la géométrie même de l'espace-temps.

La gravité est généralement expliquée par la courbure de l'espace-temps. Les corps massifs le déforment, comme une boule de bowling sur une membrane en caoutchouc tendue. Mais cette approche a deux jumeaux moins connus.

Le Soleil n'est pas seulement une source de lumière, c'est un laboratoire géant où naissent des particules fantômes. Chaque seconde, des milliards de neutrinos traversent votre corps sans presque le remarquer. Mais à l'intérieur du Soleil, ces particules se comportent différemment : elles changent de type en plein vol, comme un acteur qui joue trois rôles dans la même pièce.

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.

Le faisceau d'une lampe de poche s'en va dans l'obscurité en ligne droite — c'est ainsi que nous avons l'habitude de penser à la lumière. Mais près d'un corps massif, comme une étoile ou un trou noir, l'espace est courbé, et le faisceau se dévie doucement, comme s'il était guidé par une main invisible.

Le temps est une chose capricieuse. À l'intérieur d'une étoile massive, il s'écoule paisiblement, comme le sable dans une vieille horloge posée sur la cheminée. À l'extérieur, à l'échelle de l'univers entier, il s'étire avec l'espace, comme si la même horloge se retrouvait dans un ascenseur qui accélère puis ralentit.

Deux particules séparées de kilomètres changent d'état de manière coordonnée, comme si la distance n'existait pas. C'est ce qu'on appelle l'intrication quantique, et depuis sa découverte, elle laisse les physiciens perplexes : aucun porteur connu ne peut se déplacer plus vite que la lumière, et pourtant les corrélations apparaissent…

Un trou de ver est un tunnel dans l'espace-temps courbé qui raccourcit le chemin entre des régions éloignées. Dans la théorie d'Einstein, un tel tunnel s'effondre instantanément : pour qu'il tienne, il faut une « entretoise » faite d'une substance à énergie négative (antigravité).

Au milieu du XXe siècle, Roger Penrose a décrit le trou noir à l'aide du concept de « surface piégée » — une région où même un rayon de lumière dirigé vers l'extérieur tombe inévitablement vers le centre. Une situation que tout le monde connaît : l'eau dans le tourbillon d'un évier est irrémédiablement emportée vers le drain.

Le principe faible d'équivalence, testé tacitement depuis Galilée et fondement de la relativité générale, affirme que tous les corps tombent de la même manière, quelle que soit leur structure interne.

Le beignet mathématique — le tore — s'est installé à la frontière d'un monde tridimensionnel où la gravité agit. On peut le froisser et l'étirer, et les physiciens ont décidé de voir comment il se comporte. À l'intérieur de ce monde, l'espace peut être plat comme une table, en expansion comme une bulle de savon, ou courbé comme une selle.

Une pierre tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface de l'eau. Ils se réfléchissent sur les berges, se superposent, s'estompent. Tout ce mouvement se déploie dans l'espace. Mais que se passerait-il si l'étang lui-même changeait soudainement de profondeur ou de densité — non pas en un point, mais partout à la fois ?

Au cœur d'une galaxie active, là où le Milieu interstellaire s'enroule en un éblouissant disque d'accrétion autour d'un trou noir supermassif, naît une frontière que même le son ne peut franchir. Cet horizon acoustique a longtemps été considéré comme une ride figée à la surface de l'eau.

Un champ magnétique peut empêcher une étoile de s'effondrer complètement — c'est l'idée derrière ce nouveau trou noir. Au lieu du point de densité infinie habituel, on trouve à l'intérieur un champ qui empêche l'espace de se réduire à zéro. C'est comme un ressort : plus on comprime, plus il résiste.

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.

Un immense orchestre s'accorde avant le concert. Chaque instrument émet son propre bruit, et dans le bourdonnement général, il est difficile de distinguer les sons individuels. Mais si le chef d'orchestre, pendant une seconde, fait un geste particulier de sa baguette, tous les violons jouent simultanément une note aiguë — et ce son pur transperce la cacophonie.

On gonfle un ballon de plus en plus vite. Au début, il s'étire doucement, mais à un moment donné, la pompe a un raté – la vitesse chute, puis reprend. Pendant cette courte pause, de minuscules bulles apparaissent sur le caoutchouc. Lorsqu'on gonfle à nouveau, elles se transforment en nœuds denses.

Vous arpentez à pas comptés une immense salle plongée dans l'obscurité totale. Vous allez d'un mur à l'autre en comptant vos pas, et soudain vous réalisez : les distances ne concordent pas comme elles le devraient. On dirait que le sol n'est pas plat, mais bombé ou creusé en cuvette.

Une corde de guitare cassée ne se tait pas simplement. Elle vibre encore un moment, et selon la nature de cette vibration, le luthier comprend quelle corde il a en main : épaisse ou fine, tendue ou lâche. C'est à peu près ainsi que les physiciens écoutent les « vibrations » des systèmes quantiques lorsqu'ils veulent connaître leur structure.

En général, le courant circule de la même manière dans les deux sens en l'absence d'aimant. Le champ magnétique ou un matériau magnétique brise cette symétrie : les électrons commencent à préférer une direction. Mais dans ces nouveaux travaux, les physiciens ont trouvé un moyen de se passer d'aimants.

L'Univers est en expansion, mais à quelle vitesse ? C'est une question qui taraude les astronomes depuis des décennies. Deux méthodes de mesure donnent des réponses différentes, et cet écart est appelé la tension de Hubble. Les uns observent l'Univers primordial à travers le rayonnement fossile, les autres les supernovae proches et les céphéides.

Le temps est une route à sens unique : les événements filent vers l'avant sans possibilité de faire demi-tour. La flèche directionnelle est pilotée par l'entropie — cette mesure du désordre qui ne fait qu'augmenter dans l'Univers, comme les embouteillages aux heures de pointe. On peut dégager un carrefour, mais le bouchon global ne fera que s'épaissir.