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Le vendredi 2 février 2018 à 10h30

Turbulence d’ondes gravitationnelles et Big Bang
par Sébastien Galtier, LPP.

Vendredi 2 février 2018
Salle "Jean Lascoux" du CPhT, aile 0 RdC
Accueil : 10h30
Séminaire : 11h00

Résumé :

Turbulence d’ondes gravitationnelles et Big Bang

Nous vivons actuellement une véritable révolution en astronomie avec la multiplication d’observations directes d’ondes gravitationnelles. Cette nouvelle astronomie nous promet des découvertes surprenantes dans les prochaines années sur le fonctionnement de notre Univers proche ou lointain. Qu’en est-il de l’étude théorique des ondes gravitationnelles ?

Après une introduction générale sur la cosmologie, je présenterai un travail récent sur le comportement non-linéaire d’un ensemble aléatoire d’ondes gravitationnelles de faible amplitude. On peut s’attendre à un tel comportement dans des cas extrêmes tels que l’environnement des trous noirs ou l’Univers très primordial : en effet, autour 10-36s une brisure de symétrie de la Théorie de Grande Unification est attendue qui, selon certains scénarii, pourrait mener à une transition de phase du premier ordre entraînant la génération de bulles de vide ; les collisions de ces bulles seraient une source puissante d’ondes gravitationnelles. Dans ce travail, nous avons obtenu, par un développement mathématique rigoureux, les équations de la turbulence d’ondes gravitationnelles ainsi que leurs solutions. Les calculs sont basés sur les équations de la relativité générale qui sont supposées être valables au-delà du temps de Planck (10-43s). On a montré qu’un forçage initial de la métrique espace-temps autour d’un nombre d’onde kf mène à l’excitation de fluctuations de la métrique à des nombres d’ondes plus grands et plus petits que kf. Dans le premier cas, la cascade directe vers les petites échelles est limitée par l’échelle de Planck sous laquelle la gravité quantique domine. Dans le deuxième cas, la cascade inverse est explosive avec en principe la possibilité d’exciter des fluctuations de kf à k=0 (échelle infinie) en un temps fini. Le mécanisme s’arrête cependant à l’échelle où la turbulence devient forte. Cette cascade inverse fournit un mécanisme efficace pour homogénéiser les fluctuations primordiales de l’Univers. Ce mécanisme sera illustré par de récentes simulations numériques.

Ces résultats ouvrent des perspectives excitantes car des travaux numériques démontrent que la métrique espace-temps autour les trous noirs est sujette à un phénomène de cascade inverse qui reste à comprendre. Par ailleurs, nos travaux laissent entrevoir la possibilité d’un mécanisme d’expansion accélérée de l’Univers primordial par des effets non-linéaires si en particulier (ce n’est pas la seule condition) le mécanisme de transfert inverse peut s’étendre au régime de turbulence forte. A l’heure où de nombreuses questions cosmologiques restent ouvertes (origines de l’énergie sombre, de la matière sombre ou de l’inflation cosmologique), la physique non-linéaire très développée en physique des plasmas pourrait apporter des réponses originales.

Galtier & Nazarenko, Turbulence of weak gravitational waves in the early Universe, Phys. Rev. Lett. 119, 221101 (2017).

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