Mieux comprendre l'expansion de l'Univers grâce à la turbulence des ondes gravitationnelles

Résultat scientifique

Les ondes gravitationnelles peuvent donner naissance à des turbulences. C'est ce qu'ont montré, par une simulation numérique basée sur les équations d'Einstein, des chercheurs du Laboratoire de physique des plasmas et de l'Institut de physique de Nice. Ces travaux pourraient conduire à une meilleure compréhension de l'Univers post-Big-Bang et de son expansion initiale.

Pourquoi, quelques fractions de seconde après le Big-Bang, l'Univers a-t-il connu une brève période d'expansion extrêmement rapide ? Les spécialistes de la cosmologie ont développé des modèles, basés sur la physique des particules, pour expliquer ce phénomène. Mais la question reste ouverte, et des chercheurs du Laboratoire de physique des plasmas (LPP, CNRS/Ecole polytechnique/Sorbonne Université) et de l'Institut de physique de Nice (INPHYNI, CNRS/Université Côte d'Azur), ont récemment proposé une nouvelle piste, en montrant que les ondes gravitationnelles engendrées dans cet univers primordial pourraient créer des turbulences1 expliquant le phénomène d'expansion post Big-Bang.

En 2017, la même équipe avait développé une théorie mathématique de la turbulence des ondes gravitationnelles, ondes dont l'existence était prévue par la relativité générale, et qui ont été détectées pour la première fois en 2015. En 2020, ils publiaient un modèle plausible d'une expansion accélérée de l'Univers primordial engendrée par la turbulence. Les physiciens ont maintenant réalisé la première simulation numérique directe (basée sur les équations non-linéaires de la relativité générale) de la turbulence d'ondes gravitationnelles.

L'un des principaux résultats de cette simulation est que la turbulence d'ondes gravitationnelles est régie par une double ''cascade'' : une cascade directe, qui consiste en un transfert d'énergie d'une onde vers des ondes de fréquences plus élevées, et une cascade inverse de l'action d'onde (paramètre caractérisé par le rapport énergie/fréquence) vers des fréquences plus faibles. C'est ce dernier phénomène qui est à l'origine de fortes turbulences, et finalement d'une expansion explosive. Ces résultats ont été publiés dans Physical Review Letters.
Pour poursuivre l'exploration de ce nouveau scenario expliquant l'expansion accélérée post Big-Bang appelée inflation cosmologique, les chercheurs vont maintenant développer un code de simulation de turbulence forte, ainsi que des modèles permettant de faire le lien avec les recherches en cosmologie.

Fluctuations turbulentes de deux composantes de l'espace-temps.  © Sébastien Galtier
Fluctuations turbulentes de deux composantes de l'espace-temps.
© Sébastien Galtier

Références
Direct evidence of a dual cascade in gravitational wave turbulence
Sébastien Galtier and Sergey V. Nazarenko
Physical Review Letters. 127, 131101 – Published 20 September 2021

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.131101

Article disponible sur les bases d’archives ouvertes HAL et arXiv

  • 1. La turbulence d'ondes, similaire à la turbulence de la dynamique des fluides, est un état dans lequel de nombreuses ondes de petites amplitudes interagissent et échangent constamment de l'énergie. La compréhension de ce phénomène a des applications très diverses, de la prédiction de l'état de la mer à l'étude des plasmas (fusion nucléaire, astrophysique).

Contact

Sebastien Galtier
Professeur à l’université Paris-Saclay et chercheur au Laboratoire de physique des plasmas (LPP, CNRS/Ecole Polytechnique/Sorbonne Univ.)
Communication INSIS