Une équipe italienne envisage une flottille de 1000 satellites pour sonder la structure quantique de l’espace-temps

1000 satellites pour découvrir les grains d'espace et de temps. Crédit : DR
Plutôt que lisse et continu comme le pensait Einstein, l’espace-temps pourrait être granulaire. Une mission spatiale ambitieuse, GrailQuest, se propose de tester cette hypothèse qui change radicalement notre compréhension des trous noirs ou de l’origine de l’Univers…

Tous les physiciens le savent : la physique est schizophrène ! Depuis près d’un siècle, ses deux principales théories pour décrire le monde s’appuient sur deux conceptions de l’espace et du temps radicalement opposées. En 1915, Albert Einstein imagine une théorie de la gravitation – la relativité générale – dans laquelle l’espace et le temps forment une structure unique, souple et continue : l’espace-temps. « Un mollusque », disait-il, dont les déformations traduisent la présence de matière ou d’énergie. C’est une révolution. Une dizaine d’années plus tard, l’avènement de la mécanique quantique consacre une vision de l’énergie et de la matière tout à fait nouvelle. Elles sont en fait granulaires et gouvernées par les probabilités ! C’est encore une révolution, mais qui laisse hélas un goût d’inachevé. Car en mécanique quantique, l’espace et le temps restent séparés et rigides. Ils ne constituent que la scène où s’ébattent les particules…

Les deux théories incompatibles ont depuis été largement validées, mais bien sûr les physiciens ne peuvent se résoudre à ce que la nature soit incohérente à ce point. Ils cherchent donc à bâtir une version quantique de la gravitation. Dans laquelle, notamment, l’espace-temps serait lui aussi granulaire.

L'espace-temps d'Einstein pourrait-il être granulaire ? Crédit : DR / wavegrover

L’échelle à laquelle est censée se manifester cette granularité est infime et hors d’atteinte de nos expériences de laboratoire. Les grains d’espace, s’ils existent, ne mesureraient que 10-35 m (1 précédé de 34 zéros après la virgule), et les grains de temps 10-43 s ! C’est bien loin des plus petites distances ou durées mesurées à ce jour. Mais « un pas de géant est maintenant possible », affirment Luciano Burderi et son équipe. Grâce à la mission spatiale GrailQuest, nous serions sur le point de pouvoir « sonder la structure de l’espace-temps aux minuscules échelles de la gravité quantique ». Sur le point, en quelque sorte, de pouvoir observer les molécules d’eau individuelles sous la douce ondulation de l’océan.

Explosions cosmiques

Le concept de GrailQuest a été proposé pour la première fois par l’astrophysicien de l’université de Cagliari dans le cadre du programme « Voyage 2050 » de l’ESA. Il s’agit d’une mission de classe M (environ 500 M€) qui pourrait être lancée entre 2035 et 2050. Constitué d’une flottille d’un millier de nanosatellites en orbite tout autour de la Terre, ce Gamma Ray Astronomy International Laboratory for QUantum Exploration of Space-Time sera chargé de traquer sur toute la voûte céleste les plus puissantes explosions de l’Univers : les sursauts gamma (GRB, pour Gamma Ray Burst).

« L’une des façons de tester l’existence de la gravité quantique consiste à mesurer le temps d’arrivée de deux photons d’énergie différente [soit de longueur d’onde ou de fréquence différente, NDLR], émis en même temps par une même source lointaine », explique Frédéric Piron, au laboratoire Univers et Particules de Montpellier. Depuis les travaux d’Einstein, la vitesse de la lumière dans le vide est en effet considérée comme une constante de la nature, quelle que soit la référence à partir de laquelle on la mesure.

Si la relativité générale s’applique jusqu’à des énergies très élevées, ou de manière équivalente, à des échelles spatiales très petites, les temps d’arrivée des photons doivent être les mêmes. Cette invariance de la vitesse de la lumière dans le vide est l’un des piliers de la relativité (techniquement, les physiciens parlent d’invariance de Lorentz, car les formules mathématiques qui permettent de transcrire les équations de la physique d’un référentiel dans un autre s’appellent les transformations de Lorentz).

En revanche, si la gravitation est quantique et l’espace-temps discontinu, la chanson n’est pas la même… « Selon certains modèles de gravitation quantique, dans un espace-temps granulaire, la vitesse des photons dépend de leur énergie », reprend Frédéric Piron. Une violation de la sacro-sainte invariance de Lorentz qui se traduit par des temps d’arrivée différents pour des photons émis en même temps mais d’énergie différente...

Évidemment, l’effet doit être infinitésimal. Sinon nous l’aurions déjà découvert. Il est sans doute parfaitement évident à l’énergie à laquelle est censée agir la gravité quantique, l’énergie de Planck, soit 1019 GeV (le gigaélectronvolt est une unité de mesure utilisée en physique des hautes énergies), mais aucune source céleste ni aucun accélérateur au sol n’est capable d’atteindre un tel sommet. Le photon cosmique le plus énergétique jamais détecté se traînait à 1011 GeV, et le LHC, au Cern, frôle à peine les 14 000 GeV ! Pour que l’on puisse percevoir un décalage dans les temps d’arrivée de nos photons, il faut en fait que l’effet de leur infime différence de vitesse se soit accumulée pendant très longtemps. Autrement dit, il faut qu’ils aient voyagé pendant des milliards d’années...

Selon certains modèles de gravité quantique, la vitesse de la lumière pourrait varier avec l'énergie des
photons. Un effet qui peut être testé avec des sources de rayonnement à grande distance.
© Nasa

« C’est pour cela que nous nous intéressons aux sursauts gamma : ce sont des explosions visibles aux confins de l’Univers », explique Luciano Burderi. Produits soit par la coalescence de deux objets compacts – étoiles à neutrons ou trous noirs – soit par le soudain effondrement des étoiles massives, ils dégagent autant d’énergie en quelques secondes que le Soleil pendant toute sa vie. Et ils ont un autre atout pour sonder la structure ultime de l’espace-temps : ces flashes cosmiques de haute énergie brillent dans une vaste gamme de fréquences. Or justement, selon les modèles de gravité quantique qui prédisent une violation de l’invariance de Lorentz, celle-ci est d’autant plus importante que les photons en présence possèdent une grande énergie, mais aussi que la différence de fréquences entre eux est importante...

L’Univers au scalpel

Reste que même en convoquant les plus puissantes et les plus lointaines sources d’énergie de l’Univers, briser le totem d’Einstein est difficile ! « S’il y a une variation de la vitesse de la lumière, elle doit conduire à une différence de temps d’arrivée entre photons de seulement quelques microsecondes. Après plusieurs milliards d’années de voyage... » estime Luciano Burderi. D’où la nécessité pour les petits satellites de GrailQuest d’être dotés de chronomètres ultraprécis, à 10 ou 100 nanosecondes près. « C’est tout à fait possible avec les scintillateurs cristallins que nous utilisons dans le domaine des rayons gamma », explique le chercheur. Lorsqu’ils détectent un photon de haute énergie, ces cristaux émettent un flash de lumière visible ou ultraviolette qui est lu par un détecteur en silicium assez semblable aux CCD de nos smartphones. La précision temporelle de la séquence est de quelques dizaines de nanosecondes. Le signal électronique est alors traité, encore plus rapidement.

Faisable ? Oui, et d’ailleurs cela a déjà été fait ! « En 2009, à l’occasion de la détection par le satellite Fermi du sursaut gamma GRB 090510 – dont environ 200 photons ont été observés, l’un à une énergie de 31 GeV –, nous sommes parvenus à tester ainsi l’invariance de Lorentz », raconte Frédéric Piron. Verdict ? « Elle était respectée, ce qui défavorise les modèles de gravité quantique qui impliquent que la vitesse de la lumière n’est pas constante. »

Sauf que pour Luciano Burderi, une hirondelle ne fait pas le printemps : « Cette conclusion se fondait sur l’hypothèse que le photon à 31 GeV avait été émis en même temps que les photons de plus basse énergie détectés par Fermi. Or le modèle théorique qui décrit le processus d'émission d'un GRB n’exclut pas du tout que des photons dans des bandes d’énergie différentes puisse être émis à des instants différents ! Si c’est le cas, la conclusion de 2009 ne tient plus. Car les temps d’arrivée mesurés ne reflètent plus les vitesses des photons. On ne teste plus l’invariance de Lorentz. » De fait, nous sommes alors dans la situation d’un spectateur de 4x100 mètres qui assisterait seulement aux derniers mètres du relais. Comment savoir si le coureur qui franchit la ligne d’arrivée en premier a couru plus vite que les autres ? Il peut tout aussi bien avoir commencé à courir avant les autres parce qu’on lui a passé le relais plus tôt !

Heureusement, on peut tenter d'estimer l'amplitude maximale des retards intrinsèques – ceux qui sont dus au mécanisme d'émission des photons pendant les sursauts gamma. En 2013, la collaboration Fermi a d'ailleurs publié une analyse consolidée confirmant les premières conclusions obtenues avec GRB090510. Et surtout, ces retards intrinsèques sont parfaitement indépendants de la distance des GRB. Cela signifie que, si une seule observation (ou même une poignée) ne permet pas de démêler facilement un retard à l’allumage d’un retard dû à une vitesse de photon plus lente, l’observation d’un grand nombre de sursauts à des distances très différentes, elle, le pourra.

C’est précisément la stratégie de GrailQuest : observer le plus de photons et mesurer la distance du plus grand nombre de sursauts gamma possibles pour mettre en évidence une violation de l’invariance de Lorentz avec une bonne précision statistique. « Il est évident qu’une recherche aussi fondamentale nécessite une expérience dédiée », assure Luciano Burderi. Une expérience qui non seulement doit avoir un grand filet à photons (une surface collectrice importante), mais qui doit aussi pouvoir déterminer exactement d’où ils viennent.

Des sursauts gamma sont détectés en permanence sur tout le ciel, mais leur distance exacte est inconnue. © Nasa

Voilà pourquoi GrailQuest est une flottille de détecteurs. « Pour observer des photons de haute énergie, il faut aller dans l’espace. Mais y construire un télescope gamma de plusieurs dizaines de mètres carrés de surface collectrice est presque impossible. La clé, c’est un réseau de détecteurs en orbite », explique l’astrophysicien. Il y voit deux avantages. La production en série de petites unités de conception simple et robuste réduit les coûts – chaque nanosatellite sera simplement équipé d’un détecteur non collimaté (couvrant la moitié de la voûte céleste).

Mais surtout, un réseau permet de localiser une source céleste avec une excellente précision. « Le délai de réception du signal entre différents satellites situés dans l’espace est directement lié à la position angulaire de la source sur le ciel. La précision sur cette position dépend de la distance moyenne entre les satellites (que l’on doit connaître à quelques dizaines de mètres près), de leur nombre et de la précision avec laquelle le délai est mesuré », détaille Luciano Burderi. Pour un réseau de quelques centaines ou milliers de détecteurs capables de mesurer le temps à 100 nanosecondes près, la précision sur la position d’un GRB brillant serait de quelques secondes d’arc. Largement suffisant pour identifier sa galaxie hôte, mesurer la distance de celle-ci grâce à l'émission de ses étoiles, et donc finalement mesurer la distance de l'explosion (ce qui est évidemment indispensable, mais impossible via son seul rayonnement gamma).

Des trous noirs aux trous blancs

Mais si finalement GrailQuest ne détectait aucun signe d’une variation de la vitesse de la lumière dans le vide ? Il pourrait encore tester la granularité de l’espace-temps sous un autre angle. Toujours grâce à la statistique…

« La gravité quantique à boucles prévoit l’existence de grains d’espace, mais elle ne prévoit pas de dépendance de la vitesse de la lumière en fonction de sa longueur d’onde », explique Carlo Rovelli. Le physicien théoricien, qui cosigne la proposition de Luciano Burderi à l’ESA, est le père avec l’Américain Lee Smolin de l’une des plus prometteuses tentatives de quantification de la gravitation. Dans son schéma, l’espace ressemble à une côte de mailles. Souple et lisse à grande échelle, il est en fait constitué de boucles irréductibles accrochées les unes aux autres. Une théorie qui a pour conséquence très intéressante de supprimer les singularités gravitationnelles qui hantent la relativité générale. Autrement dit, ces régions de l’espace-temps où sa courbure devient infinie (ce qui n’a aucun sens physique) : à savoir l’origine de l’Univers et le cœur des trous noirs.

Pour Carlo Rovelli, l'espace n'est pas continu. Il est à l'image de ces anneaux attachés les uns aux autres. © DR / David Fossé
Pour Carlo Rovelli, l'espace n'est pas continu. Il est à l'image de ces anneaux attachés les uns aux autres. © DR / David Fossé

Le rapport avec les sursauts gamma ? Il est assez étonnant. Si l’espace-temps est constitué de minuscules boucles – il y aurait 10105 grains d’espace dans un volume d’un mètre cube, plus que de particules dans l’Univers – alors il y a une limite à la compactification de la matière. Conséquence : la densité au cœur des trous noirs ne peut pas être infinie et l’effondrement gravitationnel doit y cesser à un moment donné. A ce stade, que Carlo Rovelli et sa collègue Francesca Vidotto ont baptisé « étoile de Planck » en 2014, il se passe alors une chose extraordinaire. Le trou noir rebondit et s’inverse en trou blanc. Une fontaine de matière jaillit du néant…

Pour le trou noir, la transformation ne prend qu’une fraction de seconde. Mais pour un observateur extérieur, elle est très longue. À peu près aussi longue que la durée de vie de l’Univers ! Aucune chance donc d’en observer aujourd’hui, surtout si l’on tient compte en plus de la durée de vie des trous noirs. Aucune chance, sauf s’il s’agit de trous noirs minuscules et formés presque en même temps que l’Univers... Des trous noirs primordiaux.

« Ces trous noirs pourraient exploser en émettant des GRB observables par GrailQuest », explique Carlo Rovelli. Avec Aurélien Barrau et Francesca Vidotto, toujours en 2014, il a calculé que « les sursauts gamma émis par les étoiles de Planck ayant explosé le plus tôt dans la vie de l’Univers [donc les plus lointains, NDLR] devaient avoir en moyenne une fréquence plus haute ». Mettre en évidence par l’observation la relation mathématique, caractéristique des étoiles de Planck, qui lie la fréquence des photons à la distance de leur source serait une superbe preuve de la validité de la gravité quantique à boucles. Et par conséquent de la granularité de l’espace-temps. Mais là encore, cela demande énormément d’observation de GRB ! Une statistique que GrailQuest pourrait apporter.

L'explosion de trous noirs primordiaux pourrait servir à tester la gravité quantique. © Nasa/ESA/STScI

Rendez-vous en 2023

La mission et ses objectifs peuvent bien sûr paraître futuristes. Ce n’est après tout qu’un projet pour la prochaine décennie au mieux ! « Une petite centaine de projets ont été proposées pour Voyage 2050, et seuls quelques-uns verront le jour », reconnaît Luciano Burderi. Mais il compte bien en être. « Fin 2023, nous lancerons un prototype de GrailQuest financé par l’agence spatiale italienne et la commission européenne », révèle l’astrophysicien. Baptisé Hermes, pour High Energy Rapid Modular Ensamble of Satellites, il sera composé de six nanosatellites de 30 cm dotés d’une surface collectrice de 55 cm² chacun. « Hermes nous permettra de tester les techniques de chronométrage qui sont au cœur de GrailQuest, et de montrer qu’il est possible de détecter des sursauts gamma de façon routinière avec des nanosatellites » précise-t-il. Pas de doute : pour le chercheur et son équipe, la quête du Graal a bel et bien commencé.

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