par l'université Columbia
Édité par Lisa Lock, révisé par Robert Egan
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Crédit : CC0 Domaine public
Plus d'un siècle après qu'Einstein a formulé les équations décrivant la gravitation, les physiciens continuent de découvrir de nouvelles manières de les interpréter. Luca Comisso, chercheur associé aux départements d'astronomie et de physique de l'université Columbia ainsi qu'au laboratoire d'astrophysique de Columbia, et Felipe A. Asenjo, de l'université Adolfo Ibáñez au Chili, ont récemment mis en évidence une nouvelle approche des équations d'Einstein. Celle-ci révèle une analogie frappante avec la « reconnexion magnétique » au sein des plasmas — un phénomène qui se produit lorsque des lignes de champ magnétique se rompent puis se reconnectent, alimentant des événements explosifs tels que les éruptions solaires.
Leurs travaux démontrent qu'un processus similaire peut survenir avec la gravitation : dans des conditions appropriées, les structures des champs gravitationnels peuvent, elles aussi, se rompre et se reconnecter — un mécanisme qu'ils nomment « reconnexion gravitationnelle ». Lors de ce processus, de l'énergie est transférée du champ gravitationnel vers la matière.
Ces résultats, publiés dans la revue *Physical Review D*, pourraient aider les physiciens à mieux appréhender certains des phénomènes les plus extrêmes de l'univers, notamment la collision de trous noirs. Dans de tels environnements, la gravitation est si intense que l'espace-temps se trouve fortement déformé, rendant son comportement extrêmement complexe à calculer. L'approche proposée par les chercheurs permet d'identifier des règles fondamentales régissant le comportement des champs gravitationnels, offrant potentiellement des perspectives que les simulations informatiques classiques ne permettent pas d'obtenir seules.
Des lignes magnétiques aux nappes gravitationnelles
Pour comprendre le fonctionnement de la reconnexion gravitationnelle, il est utile de se pencher sur un phénomène plus familier : la reconnexion magnétique. La plupart d'entre nous ont déjà vu des représentations de lignes de champ magnétique, qu'il s'agisse des arcs formés par de la limaille de fer autour d'un aimant, ou des boucles qui jaillissent à la surface du Soleil. Au sein d'un plasma, ces lignes sont entraînées, étirées et torsadées. Parfois, la tension devient trop forte.
« La reconnexion magnétique survient lorsque ces lignes de champ, dans une configuration donnée, se rompent pour se reconnecter selon une configuration différente », explique Luca Comisso. « En se rompant et en se reconnectant, elles libèrent de l'énergie. » C'est le processus à l'origine des éruptions solaires, et l'un des mécanismes de libération d'énergie les plus importants de toute l'astrophysique. « Il puise de l'énergie dans le champ magnétique pour la transmettre aux particules du plasma, ce qui génère des explosions, des phénomènes hautement énergétiques. »
La gravité, avancent les chercheurs, peut produire un phénomène similaire. Toutefois, la géométrie diffère, car l'espace-temps d'Einstein comporte quatre dimensions, contrairement à l'espace seul, qui n'en compte que trois.
« Puisque l'espace-temps est quadridimensionnel et non tridimensionnel, la gravité fait intervenir des structures qui s'apparentent à des "nappes" de champ, plutôt qu'à de simples lignes de champ », explique Comisso. « Ajouter une dimension à une ligne permet d'obtenir un plan. On peut imaginer cela comme une juxtaposition de plusieurs lignes formant une "nappe". »
Ainsi, au lieu de lignes de champ magnétique qui s'étirent, se reconnectent et libèrent de l'énergie, le champ gravitationnel prend la forme de nappes qui se déplacent, se reconnectent et libèrent, elles aussi, de l'énergie. Bien que ces nappes soient des structures mathématiques plutôt que des objets physiques, leur reconnexion décrit un processus par lequel l'énergie peut être transférée du champ gravitationnel vers la matière.
Des contraintes cachées dans les équations d'Einstein
Cette découverte découle d'une approche originale des équations d'Einstein, s'appuyant sur des travaux antérieurs consacrés aux règles fondamentales qui régissent l'évolution de l'espace-temps.
L'article de Comisso et Asenjo, intitulé « Reconnexion des champs gravitationnels » (*Reconnection of Gravitational Fields*), s'inscrit dans la continuité d'une étude publiée précédemment dans la revue *Physical Review Letters*, en collaboration avec Maricarmen A. Winkler. Ces travaux avaient mis en évidence des règles, jusqu'alors inconnues, qui restreignent la manière dont l'espace-temps peut se courber, s'étirer et évoluer.
« Les équations d'Einstein renferment des contraintes sur l'évolution de l'espace-temps qui ne sont pas immédiatement perceptibles », souligne Asenjo. « En révélant ces nouvelles propriétés cachées, nous commençons à mieux comprendre les règles fondamentales qui régissent le processus de reconnexion gravitationnelle. »
Dans leur dernière étude, Comisso et Asenjo démontrent comment les connexions au sein d'un champ gravitationnel peuvent être modifiées lorsque les conditions idéales qui les maintiennent ne sont plus réunies — un phénomène qu'ils qualifient de « reconnexion gravitationnelle ».
« Certaines implications sont dissimulées dans les équations et ne sont pas faciles à déceler au premier coup d'œil », précise Comisso. « Il est nécessaire de les reformuler différemment pour pouvoir exploiter ce comportement. » Cette reformulation constitue le cœur même du travail. Ces dernières années, des physiciens ont mis au point une nouvelle formulation des équations d’Einstein — mathématiquement équivalente aux équations originales, mais exprimée au moyen de variables différentes. Présentées ainsi, les équations de la gravitation commencent à ressembler fortement aux équations qui régissent les plasmas : ces gaz qui composent le Soleil, alimentent les expériences de fusion nucléaire et emplissent une grande partie de l’espace entre les étoiles.
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RESUME
Les champs gravitationnels peuvent-ils se rompre et se reconnecter ? Les équations d'Einstein suggèrent que c'est possible.
Une reformulation des équations d'Einstein permet aux structures du champ gravitationnel de se reconnecter lorsque les conditions préservant leur connectivité font défaut, transférant ainsi de l'énergie à la matière. Ce processus théorique implique des feuilles de champ mathématiques plutôt que des objets physiques ; son occurrence astrophysique et ses effets observables restent à tester.
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COMMENTAIRES
Le contenu de article minterroge !La gravité peut elle se mettre''en pointillé'' puisq réapparatre ?????
O n encore formulé autrement :
Les champs gravitationnels peuvent-ils se briser puis se reconnecter
Oui, semble-t-il! les structures des champs gravitationnels peuvent effectivement se briser puis se reconnecter.
Ce phénomène, baptisé « reconnexion gravitationnelle », a été mis en lumière par les physiciens Luca Comisso (Université de Columbia) et Felipe A. Asenjo (Universidad Adolfo Ibáñez) dans la revue scientifique Physical Review D. En réanalysant les équations de champ d'Einstein à travers un formalisme mathématique différent, ils ont découvert des règles et des contraintes jusqu'alors invisibles.
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Pour les élèves tombons dans les détails !
1. L'analogie avec les éruptions solaires
Dans la physique des plasmas, on connaît bien la reconnexion magnétique. Les lignes de champ magnétique du Soleil s'étirent, se tordent, puis finissent par se briser et se reconnecter dans une configuration différente, libérant une quantité phénoménale d'énergie (ce qui provoque les éruptions solaires). L'étude démontre qu'un mécanisme mathématiquement analogue s'applique à la gravité.
2. Des « feuillets » plutôt que des lignes
Puisque la relativité générale d'Einstein décrit un espace-temps à quatre dimensions (et non un espace en 3D,newtonien )la géométrie est différente. Au lieu de simples lignes de champ, la reconnexion gravitationnelle implique des structures mathématiques en deux dimensions, que les chercheurs appellent des « feuillets de champ » (field sheets). Lorsque les conditions de stabilité de ces feuillets s'effondrent, ils se brisent et se reconnectent.
3. Un transfert d'énergie massif vers la matière
Le point le plus fascinant de cette théorie est que lorsque ces feuillets gravitationnels se reconnectent, l'énergie stockée dans le champ gravitationnel est brutalement transférée à la matière, se convertissant en énergie cinétique (mouvement et accélération de particules).
Nuance importante : L'espace-temps ne se déchire pas
Il s'agit d'une découverte purement théorique et mathématique. Cela ne signifie pas que le tissu physique de l'espace-temps se déchire littéralement dans la réalité pour recréer des trous ou des wormholes. C'est la configuration et la connectivité des structures géométriques décrivant le champ qui changent.
À quoi cela va-t-il servir ?
Cette relecture des équations d'Einstein va grandement aider les astrophysiciens à modéliser les événements les plus violents de l'Univers, comme la fusion de deux trous noirs ou la collision d'étoiles à neutrons. Dans ces environnements extrêmes, la gravité est si chaotique que les superordinateurs peinent à résoudre les calculs standard. Ces nouvelles contraintes mathématiques offrent des raccourcis précieux pour mieux comprendre l'émission des ondes gravitationnelles.
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