Les murs de domaines sont envisagés dans des théories visant à expliquer certains phénomènes non résolus en astrophysique, comme l’origine de la gravité et d’autres forces fondamentales. Selon certains chercheurs, si les murs de domaines avaient persisté dans l’univers, ils auraient pu constituer une source d’énergie majeure et influencer l’évolution globale de l’univers. Ils ajoutent que si c’était le cas, nous devrions pouvoir observer des preuves de leur existence ou de leurs effets aujourd’hui. Or, aucune preuve directe ne soutient leur présence.
Cependant dans une nouvelle étude publiée sur le serveur arXiv dont trouvera ci-dessous les références et l’abstract, un groupe de chercheurs dirigé par Ricardo Ferreira, cosmologiste à l’Université de Coimbra au Portugal, suggère que les murs de domaines se sont formés peu après le Big Bang, puis ont grandi rapidement pour majoritairement se détruire en très peu de temps. Cependant, leur courte existence aurait engendré des perturbations importantes notables dans l’espace-temps. De plus, selon l’étude, certains des murs de domaines qui ne se seraient pas effondrés complètement pourraient s’être transformés en trous noirs. Ces derniers pourraient être suffisamment nombreux pour constituer une partie significative de la matière noire.
Les brisures de symétrie
Selon de nombreux chercheurs, le Modèle standard de la physique des particules (cadre théorique expliquent les interactions des particules élémentaires à travers les forces fondamentales) présente des lacunes. De plus, il n’explique pas certains phénomènes cosmologiques. Pour répondre à ce problème, les responsable de la nouvelle étude ont proposé des extensions au modèle standard en y introduisant les « brisures de symétrie ».
Une brisure de symétrie est un mécanisme qui comprend le passage d’un état très symétrique à un état avec un degré de symétrie inférieur. Cette transition conduit à la préférence aléatoire par la nature d’un certain état arbitraire. Il s’agit d’un processus dans lequel des conditions uniformes (symétriques) commencent à se différencier à mesure que l’univers se refroidit et se dilate. La transition peut mener à la création de structures cosmiques initialement uniformes, devenues distinctes tout en restant stables.
Dans le cadre de l’extension du Modèle standard, les murs de domaines sont envisagés ici comme des conséquences de la brisure de symétrie initiale. Ils sont considérés comme constituant des barrières entre différentes « phases » de l’univers, au cours de cette transition
Dans cette étude, les chercheurs se sont fixés sur une version de brisure de symétrie théoriquement produite dans les conditions initiales de l’univers, juste après le Big Bang, quand la température avoisinait les 2000 milliards de degrés Celsius.
L’équipe a utilisé des simulations informatiques pour modéliser et visualiser l’évolution des murs de domaines sous cette brisure de symétrie. En s’élevant et en s’effondrant ensuite, ces morceaux d’espace-temps auraient généré des perturbations dites « ondes gravitationnelles stochastiques », qui peuvent se propager à travers l’Univers.
Avec le temps et l’expansion continue de l’univers, les ondes gravitationnelles émises par ces murs de domaines s’étirent à des longueurs d’onde de plus en plus grandes (et donc à des fréquences de plus en plus basses). Elles auraient aujourd’hui des fréquences dans la gamme des nanohertz, correspondant au fond d’ondes gravitationnelles détecté récemment en exploitant des pulsars millisecondes (des étoiles à neutrons qui tournent extrêmement rapidement sur elles-mêmes, jusqu’à plusieurs centaines de rotations par seconde). Cependant, l’origine exacte de ces ondes reste un sujet de recherche active.
Référence
Collapsing Domain Wall Networks: Impact on Pulsar Timing Arrays and Primordial Black Holes
5 feb 2024
https://arxiv.org/abs/2401.14331
Ricardo Z. Ferreira, Alessio Notari, Oriol Pujolàs, Fabrizio Rompineve
Unstable domain wall (DW) networks in the early universe are cosmologically viable and can emit a large amount of gravitational waves (GW) before annihilating. As such, they provide an interpretation for the recent signal reported by Pulsar Timing Array (PTA) collaborations. A related important question is whether such a scenario also leads to significant production of Primordial Black Holes (PBH). We investigate both GW and PBH production using 3D numerical simulations in an expanding background, with box sizes up to N=3240, including the annihilation phase. We find that: i) the network decays exponentially, i.e. the false vacuum volume drops as ∼exp(−η3), with η the conformal time; ii) the GW spectrum is larger than traditional estimates by more than one order of magnitude, due to a delay between DW annihilation and the sourcing of GWs. We then present a novel semi-analytical method to estimate the PBH abundances: rare false vacuum pockets of super-Hubble size collapse to PBHs if their energy density becomes comparable to the background when they cross the Hubble scale. Smaller (but more abundant) pockets will instead collapse only if they are close to spherical. This introduces very large uncertainties in the final PBH abundance. The first phenomenological implication is that the DW interpretation of the PTA signal is compatible with observational constraints on PBHs, within the uncertainties. Second, in a different parameter region, the dark matter can be entirely in the form of asteroid-mass PBHs from the DW collapse. Remarkably, this would also lead to a GW background in the observable range of LIGO-Virgo-KAGRA and future interferometers, such as LISA and Einstein Telescope.
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