Pas de dimension supplémentaire détectée par l’analyse des ondes générées par la collision de deux étoiles

L‘univers tel que nous le connaissons est composé de trois dimensions spatiales. La taille et l’emplacement de tout objet peuvent ainsi être désignés sur un graphique à partir des axes X, Y et Z, du moins, c’est ce que notre expérience quotidienne nous apprend. Mais certains modèles physiques suggèrent l’existence de dimensions supplémentaires que nous ne pouvons percevoir. Afin de trouver des preuves de ces dimensions, les chercheurs ont étudié les ondes gravitationnelles et ils n’ont rien trouvé.

Image d’entête : représentation de la fusion de deux étoiles à neutrons et les ondes gravitationnelles que l’évènement engendre. (NASA Goddard Space Flight Center CI Lab)

Bien que ce soit probablement celle que nous connaissons le mieux, la gravité est la plus faible des quatre forces fondamentales qui gouvernent l’univers (les autres étant l’électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles). L’explication proposée est que certains gravitons, des particules hypothétiques qui transporteraient la force gravitationnelle, « s’infiltrent » dans d’autres dimensions sur de longues distances, affaiblissant l’influence de la gravité ici où nous pouvons l’observer.

C’est une idée intrigante, mais comment la tester ? Selon une équipe d’astrophysiciens de l’université de Chicago, vous mesurez les ondes gravitationnelles, des ondulations dans al toile même de l’espace-temps, qui se propagent à travers l’univers, et vous déterminez si ces signaux sont plus faibles que ce qui est attendu.

Les ondes gravitationnelles ont été prédites pour la première fois par nul autre qu’Einstein, il y a plus d’un siècle, mais elles n’ont été détectées qu’en 2015. Ce premier événement, ainsi que quelques autres dans les années qui ont suivi, a été causé par la fusion de paires de trous noirs, qui sont pratiquement invisibles pour la plupart des autres instruments.

Mais cela a changé l’année dernière, lorsque des astronomes ont eu droit à un spectacle stellaire spectaculaire où deux étoiles à neutrons se sont heurtées. En plus des ondes gravitationnelles, l’explosion a créé des ondes électromagnétiques claires, dans la lumière visible et infrarouge, des rayons gamma, des rayons X et des ondes radio. Cet événement s’est avéré être un outil beaucoup plus utile pour l’astronomie, puisque ces différents signaux peuvent tous être comparés pour nous en dire beaucoup plus sur l’événement, et sur l’univers, que les seules ondes gravitationnelles.

Représentation de la collision de deux étoiles à neutrons. (CXC/M. Weiss/ NASA/CXC/ Université Trinity/ D. Pooley et col.)

C’est pourquoi la nouvelle étude a utilisé ces données pour rechercher des preuves de dimensions supplémentaires. Le raisonnement est que si elles existent, les ondes gravitationnelles s’infiltreraient dans ces dimensions, tandis que les ondes électromagnétiques n’en seraient pas affectées. Cela devrait créer un écart entre les ondes gravitationnelles et les autres signaux, car les premières semblent beaucoup plus faibles que les autres.

Mais il s’avère que tous les signaux, les ondes gravitationnelles et les autre, étaient en accord avec la distance qui les sépare de l’explosion de l’étoile à neutrons. Selon l’équipe, cela signifie que les ondes gravitationnelles se propagent dans trois dimensions spatiales, comme le prévoit la relativité générale.

Pour les chercheurs, cela n’exclut pas nécessairement l’existence de ces autres dimensions. Ils pouvaient encore faire connaître leur présence en influençant les ondes gravitationnelles qui voyagent sur de plus longues distances. Ce que nous savons, c’est que l’espace en 3D tient toujours sur une échelle de plus de 100 millions d’années-lumière.

Il est intéressant de noter que plus tôt cette année, des scientifiques japonais ont cherché des dimensions supplémentaires en testant la gravité à l’autre bout de l’échelle, au niveau subnanométrique. Ils n’ont également trouvé aucune trace de dimensions cachées jusqu’à 0,1 nanomètre.

L’étude publiée dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics : Limits on the number of spacetime dimensions from GW170817 et présentée sur le site de l’université de Chicago : Gravitational waves provide dose of reality about extra dimensions.