CORDES COSMIQUES
SUPRACONDUCTRICES.
Un des problèmes de la
cosmologie actuelle consiste à comprendre les
phénomènes astrophysiques observés. Les sondages
de galaxies et d'amas de galaxies nous renseignent quant à la
distribution de matière visible dans notre environnement
immédiat. D'autres observations suggèrent que l'Univers
devrait être rempli d'une matière supplémentaire,
invisible, d'un type inconnu (non baryonique). Des éclairs de
photons de très hautes énergies apparaissent
soudainement dans le ciel à intervalles journaliers sous forme
de sursauts gamma, provenant de sources maintenant établies
comme cosmologiques. La détection des anisotropies du
rayonnement de fond diffus micro-onde cosmologique sur des
échelles angulaires très différentes semblent
indiquer des propriétés particulières concernant
le trajet qu'on parcouru les photons reliques durant leur voyage, quoi
que l'origine de ces perturbations primordiales ne soit pas encore
très claire. Des objets étranges percutent
l'atmosphère de la Terre avec des énergies
invraisemblables, produisant des cascades de particules secondaires et
de radiation et constituant ce qu'on appelle l'énigme des
rayons cosmiques.
Dans ces observations, pour ne citer qu'elles, les explications
conventionnelles sont prises à défaut. Les
mécanismes usuels ne sont pas toujours suffisant pour expliquer
ce que l'Univers nous présente, et dans certains cas ils en
sont simplement incapables. De plus, il y a des problèmes
fondamentaux que la cosmologie standard ne peut résoudre, qui
sont liés ultimement à l'état actuel de notre
Univers : par exemple, pourquoi le rayonnement de fond, dont
l'existence est un des piliers de cette cosmologie, apparaît-il
tellement isotrope dans des directions opposées du ciel, et ce
malgré le fait que ces régions n'ont jamais,
d'après la théorie standard, été en
contact causal ? Un autre problème : comment se fait-il que la
densité de notre Univers soit aussi proche de la densité
critique ? Un peu plus, et l'expansion s'arreterait rapidement et il
entrerait alors dans une phase de recontraction ; un peu moins, et il
serait en expansion pour toujours. Et de plus, l'évolution est
instable autour de cette valeur critique de la densité ! De
sorte à ce qu'elle soit ce qu'elle est maintenant,
c'est-à-dire raisonnablement proche de la densité
critique, il faudrait qu'elle en ait été incroyablement
plus proche encore lorsque l'Univers n'était agé que
d'une seconde : une précision relative de
10-15 est requise. Comment a-t-il pu atteindre ce
degré de précision ? Voici juste quelques questions qui
sont encore à l'heure actuelle en attente de réponse.
Le paradigme inflationnaire, proposé pour la première
fois par Alan Guth en 1980, tente de répondre à ces
questions. Il est basé sur une expansion rapide,
presqu'exponentielle, pendant les tous premiers instants de l'Univers,
quelques 10-35-10-32 secondes
après le Big-Bang. Cette idée très attrayante,
qui résoud de manière élégante un certain
nombre des problèmes mentionnés plus haut, n'explique
malheureusement pas tout, et en particulier certains paramètres
doivent être ajustés très
précisément, et de façon peu naturelle, de sorte
à ce que les mécanisme de formation des structures qui
s'ensuivent fonctionnent convenablement et conduisent à des
données compatibles avec ce qu'on observe.
Les défaut topologiques cosmiques représentent un lien
entre la physique des particules, la cosmologie, et des
phénomènes usuels en physique de la matière
condensée. Ils permettent de proposer des explications quant
à la physique de l'Univers très primordial en termes
d'analogies avec des systèmes étudiés en
laboratoire. En fait, si les idées actuelles basées sur
des extensions du modèle standard des particules (dont le
succès n'est plus à rappeler) sont correctes, alors les
défauts en sont une conséquence inévitable et de
plus possèdent des propriétés
intéressantes au niveau astrophysique qui ont motivées
les tentatives de solutions aux problèmes
précédents d'une manière économique.
Parmi ces défauts topologiques, les cordes cosmiques sont les
plus étudiées. Il convient de noter que nous ne parlons
pas ici des cordes fondamentales que certaines théories
proposent comme entités de base de la matière pour
remplacer les particules. Les cordes cosmiques seraient des lignes
très fines de matière primordiale, qui n'existerait plus
ailleurs, contenant une énergie invraisemblable et
évoluant dans l'Univers à des vitesses proches de celle
de la lumière, imprimant une courbure à l'espace lors de
leurs déplacement. Du fait de leurs propriétés
gravitationnelles un peu spéciales, elle peuvent en particulier
accréter la matière les environnant pour former les
structures à grande échelle. Elles courbent aussi les
trajectoires des rayons lumineux, comme le font les galaxies et
quasars. Par ailleurs, elles sont susceptibles de perturber le fond de
rayonnement micro-onde aussi bien à l'époque du
découplage de la radiation d'avec la matière, quelques
dizaines de milliers d'années après le Big-Bang que
depuis cette période, sur le trajet de ces photons
jusqu'à nous. Leurs mouvements rapides produisent aussi une
structure très compliquée de boucles dont la
désintégration aurait pu remplir l'Univers d'un fond de
rayonnement gravitationnel peut-être détectable dans le
futur.
Et comme si cette phénoménologie n'était pas
encore suffisante, il s'avère de plus qu'il existe certains
modèles bien motivés dans lesquels, à un certain
niveau de leur évolution, ces cordes développent des
courants gigantesques. Elles deviennent alors comme des énormes
câbles supraconducteurs cosmiques qui pourraient nous aider à
comprendre les mystères cités plus haut. En particulier,
les courants seraient de première importance pour la
génération de champs magnétiques primordiaux (un
autre mystère !) sur des échelles protogalactiques. De
plus, les mouvement des porteurs de charge dans les boucles pourraient
permettre à celles-ci, grâce au mouvement centrifuge, de ne
pas se désintégrer complètement, laissant de
petits anneaux chargés, des vortons. Si ceux-ci
étaient stables (un point actuellement soumi à
l'étude), on pourrait envisager qu'ils soient encore
présents sous forme de matière noire.
Défauts topologiques en cosmologie:
Topological defects in cosmology, D.A.M.T.P., Cambridge University.
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