Cosmic birefringence from a stiff axion field and its cosmological implications

La lumière voyageant à travers le vaste vide de l'espace n'est pas simplement un faisceau droit ; elle porte une orientation cachée, une polarisation qui pointe dans une direction spécifique. Imaginez cette lumière comme une onde vibrant sur un plan unique, comme une corde que l'on secouerait de haut en bas. Depuis des décennies, les astronomes étudient la lumière la plus ancienne de l'univers, le fond diffus cosmique micro-onde, qui est une lueur résiduelle du moment où l'univers est devenu transparent. Lorsque cette lumière antique nous parvient, son plan de polarisation peut être pivoté par des champs invisibles qui imprègnent le cosmos. Cette rotation, connue sous le nom de biréfringence cosmique, agit comme une aiguille de boussole cosmique qui aurait été lentement tournée par l'histoire de l'univers. Des mesures récentes provenant de puissants télescopes ont détecté une torsion petite mais significative dans cette lumière, suggérant que quelque chose d'invisible interagit avec les photons alors qu'ils voyagent à travers des milliards d'années. La question qui motive la recherche actuelle est de savoir ce que pourrait être cette force invisible. S'agit-il d'une forme d'énergie noire qui repousse l'univers, ou peut-être d'un type de matière noire qui s'agglutine ? Ou pourrait-il s'agir de quelque chose de totalement différent, un vestige d'une époque antérieure à ce que l'univers ne se soit stabilisé dans son rythme actuel ?

Une équipe de chercheurs de l'Université de Turin et de l'Institut National de Physique Nucléaire italien a proposé une nouvelle réponse à cette énigme. Ils suggèrent que la rotation observée de la lumière est causée par un type spécifique de champ invisible qui se comporte différemment de la matière noire et de l'énergie noire dont nous discutons habituellement. Ce champ est décrit comme « rigide » (stiff), ce qui signifie qu'il exerce un type unique de pression qui provoque un changement rapide de sa densité d'énergie à mesure que l'univers s'étend. Dans l'univers très primordial, ce champ rigide aurait dominé tout le reste, entraînant une phase d'expansion rapide connue sous le nom de kination, avant de s'estomper pour devenir une composante mineure du cosmos aujourd'hui. Les chercheurs ont calculé que si ce champ existe, il interagirait avec la lumière d'une manière qui correspond parfaitement à l'angle de rotation mesuré par les expériences récentes, spécifiquement les données du satellite Planck et du Télescope de l'Atacama.

La beauté de ce modèle réside dans sa testabilité et sa capacité à écarter d'autres possibilités. Les chercheurs ont découvert que pour que ce champ rigide explique la rotation observée de la lumière sans enfreindre les lois de la physique telles que nous les connaissons, son interaction avec la lumière doit se situer dans une plage très étroite. Si l'interaction était trop faible, elle ne ferait pas pivoter la lumière suffisamment pour correspondre aux données. Si elle était trop forte, elle aurait perturbé la formation des premiers noyaux atomiques dans l'univers primordial, un processus connu sous le nom de nucléosynthèse primordiale, que nous pouvons observer aujourd'hui à travers l'abondance d'éléments comme l'hélium. En équilibrant ces contraintes, l'équipe a identifié une fenêtre spécifique pour la force de cette interaction, située approximativement entre 8,9 et 50 fois dix à la puissance moins treize inverse gigaelectronvolt. Cette plage étroite offre une cible claire pour les futures expériences de recherche de particules de type axion, qui sont des particules hypothétiques pouvant constituer ce champ.

De plus, ce modèle fait une prédiction distincte qui le sépare d'autres théories. Alors que certaines explications suggèrent que l'effet de rotation serait similaire à différentes époques de l'histoire de l'univers, ce modèle de champ rigide prédit que l'angle de rotation pour la lumière émise lors de l'époque de la réionisation — lorsque les premières étoiles se sont allumées — serait significativement plus petit que la rotation observée dans la lumière la plus ancienne. Si les observations futures confirment que l'angle de rotation diminue à ces époques plus reculées, cela favoriserait fortement cette explication du champ rigide par rapport aux théories impliquant l'énergie noire. Les chercheurs ont également exploré les conséquences gravitationnelles de ce scénario. Ils ont trouvé que la transition de l'ère précoce du champ rigide vers l'ère standard du rayonnement générerait des ondulations dans l'espace-temps, connues sous le nom d'ondes gravitationnelles. Selon la durée exacte de cette phase précoce, ces ondes pourraient être détectables par les observatoires à venir, fournissant un second moyen indépendant de confirmer la théorie.

Cependant, l'étude jette également un doute sur une idée populaire concernant la détection récente d'un fond d'ondes gravitationnelles par des réseaux de pulsars. Certains scientifiques ont suggéré que ces ondulations à basse fréquence pourraient être causées par le même type de physique de l'univers primordial qui crée la rotation de la lumière. Les auteurs de cet article ont testé cette idée et l'ont jugée peu probable. Ils ont démontré que si les ondes gravitationnelles étaient assez fortes pour expliquer les données des pulsars, la densité d'énergie associée serait trop élevée, violant les limites sur le nombre de espèces de neutrinos dans l'univers. En d'autres termes, l'univers ne peut pas accommoder à la fois la rotation de la lumière observée et le signal d'ondes gravitationnelles des pulsars si tous deux sont causés par ce type spécifique de dominance de champ rigide précoce. Cela écarte de fait une explication unifiée de ces deux phénomènes sous ce modèle spécifique.

Le travail conclut en peignant le portrait d'un univers qui a traversé une période brève et intense de dominance de champ rigide avant de s'installer dans les ères de rayonnement et de matière que nous connaissons. Cette époque éphémère a laissé derrière elle une empreinte subtile sur la polarisation de la lumière ancienne et potentiellement un faible bourdonnement d'ondes gravitationnelles. Les chercheurs n'ont pas prouvé que ce champ rigide existe, mais ils ont cartographié précisément où le chercher. Ils ont défini la force précise de son interaction avec la lumière et prédit comment sa signature devrait changer à travers les différentes époques cosmiques. À mesure que de nouveaux télescopes entreront en service et que les recherches astrophysiques sur les particules de type axion se poursuivront, cette fenêtre étroite de possibilité sera testée. Si la force d'interaction tombe dans la plage prédite et que l'angle de rotation se comporte comme prévu, cela révélera un nouveau chapitre de l'histoire du cosmos, un chapitre où un champ rigide et invisible a autrefois régné sur l'univers avant de s'effacer dans l'arrière-plan du secteur sombre.