La gravité peut se transformer en lumière, mais seulement si l’espace-temps se comporte de la bonne manière, a découvert une équipe de recherche.

Dans des circonstances normales, vous ne pouvez pas obtenir quelque chose à partir de rien. Plus précisément, le modèle standard de la physique des particules, la théorie dominante qui explique le zoo subatomique des particules, interdit généralement la transformation de particules sans masse en particules massives. Alors que les particules du modèle standard se transforment constamment les unes dans les autres par le biais de diverses réactions et processus, le photon – le porteur sans masse de la lumière – ne peut normalement pas se transformer en d’autres particules. Mais si les conditions sont réunies, c’est possible. Par exemple, lorsqu’un photon interagit avec un atome lourd, il peut spontanément se séparer pour devenir un électron et un positron, qui sont tous deux des particules massives.

Avec cet exemple bien connu en main, une équipe de physiciens théoriciens, écrivant dans un article publié le 28 mars dans la base de données de préimpression arXiv (s’ouvre dans un nouvel onglet), a demandé si la gravité elle-même pouvait se transformer en d’autres particules. Nous pensons normalement à la gravité à travers le prisme du général relativité, où les courbures et les déformations de l’espace-temps influencent le mouvement des particules. Dans cette image, il serait très difficile d’imaginer comment la gravité pourrait créer des particules. Mais nous pouvons également voir la gravité à travers une lentille quantique, imaginant la force gravitationnelle portée par d’innombrables particules invisibles appelées gravitons. Bien que notre image de la gravité quantique soit loin d’être complète, nous savons que ces gravitons se comporteraient comme n’importe quelle autre particule fondamentale, y compris en se transformant potentiellement.

Pour tester cette idée, les chercheurs ont étudié les conditions de l’univers extrêmement primitif. Quand notre cosmos était très jeune, il était aussi petit, chaud et dense. Dans ce jeune cosmos, toutes les formes de matière et d’énergie ont atteint des échelles inimaginables, bien supérieures à ce que même nos collisionneurs de particules les plus puissants sont capables d’atteindre.

Les chercheurs ont découvert que dans cette configuration, les ondes gravitationnelles – des ondulations dans le tissu de l’espace-temps générées par les collisions entre les objets cosmiques les plus massifs – jouent un rôle important. Normalement, les ondes gravitationnelles sont extrêmement faibles, capables de pousser un atome sur une distance inférieure à la largeur de son propre noyau. Mais dans l’univers primitif, les vagues auraient pu être beaucoup plus fortes, et cela aurait pu sérieusement influencer tout le reste.

Ces premières vagues auraient oscillé d’avant en arrière, s’amplifiant. N’importe quoi d’autre dans l’univers aurait été pris dans la poussée et la traction des vagues, entraînant un effet de résonance. Comme un enfant pompant ses jambes au bon moment pour envoyer un swing de plus en plus haut, les ondes gravitationnelles auraient agi comme une pompe, entraînant la matière en amas serrés encore et encore.

Les ondes gravitationnelles pourraient également affecter le champ électromagnétique. Parce que les ondes sont des ondulations dans l’espace-temps lui-même, elles ne se limitent pas aux interactions avec des objets massifs. Alors que les ondes continuent de pomper, elles peuvent conduire le rayonnement dans l’univers à des énergies extrêmement élevées, provoquant l’apparition spontanée de photons : la gravité générant la lumière elle-même.

Les chercheurs ont constaté qu’en général, ce processus est plutôt inefficace. L’univers primitif s’agrandissait aussi, de sorte que les modèles standard d’ondes gravitationnelles n’auraient pas duré longtemps. Cependant, l’équipe a découvert que si l’univers primitif contenait suffisamment de matière pour que la vitesse de la lumière soit réduite (de la même manière que la lumière se déplace plus lentement à travers un milieu tel que l’air ou l’eau), les ondes auraient pu rester assez longtemps pour vraiment obtenir des choses. aller, générant des flots de photons supplémentaires.

Les physiciens ne comprennent pas encore pleinement la physique compliquée et enchevêtrée de l’univers primitif, qui était capable de réaliser des exploits jamais observés depuis. Cette nouvelle recherche ajoute un fil de plus à la riche tapisserie : la capacité de la gravité à créer de la lumière. Ce rayonnement continuerait vraisemblablement d’influencer la formation de la matière et l’évolution de l’univers, de sorte que l’élaboration de toutes les implications de ce processus surprenant pourrait conduire à de nouvelles révolutions dans notre compréhension des premiers instants du cosmos.