Ondes quadrupolaires
Sont-elles une partie de la clé de la jonction "Gravitation - Mécanique quantique"?

1. La clé?

Ce texte (qui n'est accessible que sur demande) poursuit l'analyse de la confrontation "fluide parfait - corde élastique" commencé avec le documents en anglais "Vacuum and Strings" (ce dernier est accessible sur le site www.researchgate.net).

2. La physique des produits de Lie déformés.

Le formalisme des parties principales des décompositions des produits tensoriels déformés obtenues à l'aide de la matrice extrinsèque, les matrices [P], se trouve être à la croisée d'un nombre impressionnant d'objets apparaissant en physique (voir la page  "Décompositions : à la croisée des chemins").

 Gravitation quantique 4D - Le projet 



4. Bicep2 : résumé succinct. Texte de Thierry PERIAT, 06 février 2018, inspiré de l'article [01].

 Il existe actuellement une sorte de course à la compréhension de ce qu'est notre univers. Mais que savons-nous au juste aujourd'hui sur la nature de cet environnement ? Je vais m'inspirer ici de l'article rendant compte de l'expérimentation dite « Bicep2 » [01]. Pour les auteurs de cet article, l'histoire de la cosmologie moderne commence en 1965 avec la découverte du fond cosmique de radiations micro-ondes (CMB - voir article sur Wikimédia - FR) par Penzias et Wilson. La découverte est interprétée comme la confirmation d'un nouveau paradigme pour la cosmologie humaine : l'univers est né d'un Big-Bang « chaud ». L'observation du CMB devient l'action de choix pour tenter d'explorer ce qui a pu se passer entre l'explosion initiale et aujourd'hui... en sachant que nous disposons, en toile de fond, de la théorie de la relativité (versus générale) pour confronter les prédictions aux observations.

Au fil des observations, il est apparu que le CMB présentait des anisotropies. Ce fait a contraint la communauté à affiner le modèle cosmologique et à nuancer les credo basés sur l'existence « a priori » d'un univers isotrope et homogène... au moins pour les parties qui semblaient vides de matière (poussières cosmiques, comètes, astéroïdes, planètes, étoiles, etc.). Avec cette nuance, tout un pan des calculs théoriques sur les espaces isotropes et homogènes doit maintenant être manipulé avec un peu de recul, comme un premier cadre pédagogique qu'il faudra sans doute aménager ensuite pour mieux rendre compte de la réalité observée. Le modèle standard évolue pour devenir ce qui apparaît aujourd'hui sous le label LambdaCDM (lien Wikimédia - FR).

Dans cette version modifiée du modèle, notre univers actuel apparaît être dominé par de la matière froide, ne pas avoir de courbure et être en phase d'expansion accélérée. Le modèle rend compte avec une extrême précision des anisotropies thermiques observées (voir les comptes rendus de la collaboration Planck, parties XV et XVI, 2013).

Pour autant, il reste à ce jour de nombreux mystères à expliquer, incluant l'accélération de l'expansion, l'absence de courbure globale, la question de l'horizon, de la continuité, de l'entropie, des monopoles, etc. Une proposition visant à résoudre ces énigmes est proposée au début des années 1980 : le scénario inflationniste (voir les comptes rendus de la collaboration Planck, la partie parties XXII, 2013) qui postule l'existence d'une période d'inflation forte dans les premiers moments de l'existence de l'univers. L'origine de cette inflation ? Les fluctuations quantiques expliquant l'aspect exponentiel de l'expansion. La plus simple illustration de ce type de modèles propose une expansion adiabatique (à température évoluant très progressivement), gaussienne et non-dépendante de l'échelle à laquelle elle s'applique.

Ces caractéristiques ont bel et bien été confirmées par l'observation. Mais là encore il convient d'appliquer le raisonnement scientifique et de faire appel à la logique. Le fait que le scénario inflationniste livre ces caractéristiques dans le paquet de ses prévisions théoriques et que ces caractéristiques aient effectivement été observées ne fait de ce scénario qu'un des nombreux scénarii possibles. Par ailleurs, ce scénario-là fait appel à des phénomènes quantiques impliquant de grandes énergies et des courbures spatio-temporelles fortes sur des périodes de temps ultra-courtes qui représentent in fine des extrapolations osées de phénomènes bien connus ... mais à des échelles plus modestes. Nous avons donc besoins de nouvelles expériences permettant de confirmer ou d'infirmer ledit scénario. Il se trouve que les ondes gravitationnelles en sont les testeurs idéaux ; pourquoi ?

D'abord parce que le modèle théorique prévoit que le couplage entre une expansion exponentielle et une quantification des champs de gravitation produit un fond aléatoire d'ondes gravitationnelles ayant une signature spectrale spécifique. Elle devrait être détectable au sein du CMB. En particulier, ces ondes gravitationnelles induisent des ondes quadripolaires comportant une composante incluant un rotationnel (le mode B) susceptibles d'être détectées sur les surfaces de dispersion tardives... donc aujourd'hui. Le fait que ce mode n'a pas pu être généré par des perturbations énergétiques primordiales fait de leur détection une sorte de diagnostic différentiel.

Ensuite parce que l'amplitude des ondes quadripolaires détectées dépend d'un ratio (tenseur - par rapport au scalaire), r, qui est une fonction de l'échelle d'énergie déployée lors de l'inflation.

Pour ces deux principales raisons, la mesure de ces ondes quadripolaires a représenté un enjeu majeur au cours des expériences Bicep et Bicep2.

Servant en quelque sorte d'étalonnage, le fond cosmique (CMB) est polarisé avec une amplitude de quelques microkelvins ; il est dominé par le mode E des ondes gravitationnelles (pic à l = 1000) et par leur gradient de dispersion (expérience DASI, 2002 ; CAPMAP ; CBI ; Boomerang3 ; WMAP ; MAXIPOL ; QUaD ; Bicep1 ; QUIET, 2012).

Par ailleurs des effets de lentille induits par les structures galactiques de grande taille se produisent dans le passé récent (loin du Big-Bang dans l'échelle du temps). Ils ont pour conséquence de convertir une partie des ondes de mode E en ondes de mode B. Le spectre qui en résulte ressemble au spectre des ondes E mais il a une intensité divisée par environ 100.

Les ondes B d'origine « inflationniste » devraient avoir un pic autour de l = 80.

Les résultats de l'expérience Bicep2 exposés dans [01] relatent un pic compris dans l'intervalle (30, 150) et une intensité inconsistante avec une origine entièrement liée au phénomène de lentille gravitationnelle. La conclusion proposée est qu'un scénario mélangeant les effets de lentille prévus par le modèle LambdaCDM et un scénario inflationniste basé sur un modèle théorique tensoriel (ratio privilégié : r = 0,2) reste le plus probable à la date de parution de cet article.

Bibliographie consultée 

[01] Bicep2 Collaboration: Detection of B-modes polarization at degree angular scales (Détection des modes de polarisation de type B) ; arXiv : 1403. 3985v2 [astro-ph.CO], 18 March 2014.   

5. Pour tenter d'aller beaucoup plus loin encore : Le coin des idées un peu folles 

Pour ma part, aimant à suggérer des idées folles, je me demande si la structure filamentaire des répartitions de matière (ma vision des cordes cosmiques - voir l'article "Vacuum and strings"), la nature granulaire de la gravitation newtonienne et les propriétés de conduction potentiellement supraconductrices des espaces vides ne sont pas trois images d'un même et unique phénomène.

Autrement dit je pose aussi et indirectement la question de savoir si les ondes prédites par la relativité générale comme étant de nature gravitationnelle quadripolaires ne seraient pas par hasard et pour une grande partie d'entre elles trans-mutées en ondes de nature électromagnétique supraconductrice (ma proposition)? Cette hypothèse aurait pour avantage d'expliquer la rareté des ondes gravitationnelles originelles. Ou, avec d'autres mots, se peut-il qu'il s'opère une sorte de changement de phase dans l'immensité vide des espaces interstellaires ? 

Page mise à jour les 06, 07 et 12 février 2018