Selon une équipe de physiciens de l’Université du Maryland, du National Institute of Standards and Technology (NIST) et du Joint Quantum Institute, l’expansion rapide d’un condensat de Bose-Einstein (BEC), un nuage d’atomes refroidis à des températures très proches du zéro absolu dans lequel tous les atomes occupent le même état quantique, peut imiter l’expansion de l’Univers primitif. Leurs travaux sont publiés dans la revue Physical Review X.
Un condensat de Bose-Einstein en expansion et en forme d’anneau partage plusieurs caractéristiques frappantes avec l’Univers primitif. Crédit photo : Emily Edwards, Université du Maryland.
“Du point de vue de la physique atomique, nos expériences sont magnifiquement décrites par la théorie existante. Mais ce qui est encore plus frappant, c’est la façon dont cette théorie est reliée à la cosmologie”, a déclaré le Dr Stephen Eckel, physicien atomique au NIST.
Dans plusieurs séries d’expériences, le Dr. Eckel et ses co-auteurs ont rapidement augmenté la taille d’un BEC en forme de beignet, en prenant des clichés pendant le processus. La croissance est si rapide que le nuage se met à bourdonner. Un bourdonnement similaire pourrait être apparu à l’échelle cosmique pendant l’expansion rapide de l’Univers primitif – une époque que les cosmologistes appellent la période d’inflation.
“Peut-être que cette découverte alimentera un jour les futurs modèles de cosmologie. Ou vice versa. Peut-être y aura-t-il un modèle de cosmologie difficile à résoudre mais que l’on pourra simuler à l’aide d’un gaz atomique froid”, a déclaré le Dr Eckel.
Ce n’est pas la première fois que les physiciens font le lien entre les BEC et la cosmologie. Des études antérieures ont imité des trous noirs et ont cherché des analogues des radiations qui, selon les prévisions, se déversent de leurs frontières obscures.
Les nouvelles expériences se concentrent plutôt sur la réponse du BEC à une expansion rapide, un processus qui suggère plusieurs analogies avec ce qui a pu se passer pendant la période d’inflation.
La première analogie, la plus directe, concerne la façon dont les ondes se déplacent dans un milieu en expansion. Une telle situation ne se présente pas souvent en physique, mais elle s’est produite pendant l’inflation à grande échelle. Au cours de cette expansion, l’espace lui-même a étiré toutes les ondes à des tailles beaucoup plus grandes et leur a volé de l’énergie par un processus connu sous le nom de friction de Hubble.
Dans une série d’expériences, le Dr Eckel et ses collègues ont repéré des caractéristiques analogues dans leur BEC.
Ils ont imprimé une onde sonore sur leur nuage – des régions alternant plus d’atomes et moins d’atomes autour de l’anneau, comme une onde dans l’Univers primitif – et l’ont observée se disperser pendant l’expansion. Sans surprise, l’onde sonore s’est étirée, mais son amplitude a également diminué.
Les mathématiques ont révélé que cet amortissement ressemblait exactement à la friction de Hubble, et le comportement a été bien rendu par les calculs et les simulations numériques.
“C’est comme si nous frappions le BEC avec un marteau et je suis choqué de voir que ces simulations reproduisent si bien ce qui se passe”, a déclaré le Dr Gretchen Campbell, co-directrice du Joint Quantum Institute au NIST.
Dans une deuxième série d’expériences, les scientifiques ont découvert une autre analogie, plus spéculative.
Pour ces tests, ils ont laissé le BEC libre de toute onde sonore mais ont provoqué la même expansion, observant le BEC se balancer d’avant en arrière jusqu’à ce qu’il se détende.
D’une certaine manière, cette relaxation ressemblait aussi à l’inflation. Une partie de l’énergie qui a entraîné l’expansion de l’Univers a fini par créer toute la matière et la lumière qui nous entourent. Et bien qu’il existe de nombreuses théories sur la façon dont cela s’est produit, les cosmologistes ne savent pas exactement comment cette énergie résiduelle a été convertie en tout ce que nous voyons aujourd’hui.
Dans le BEC, l’énergie de l’expansion a été rapidement transférée à des choses comme des ondes sonores voyageant autour de l’anneau. Certaines des premières hypothèses sur la raison de ce phénomène semblaient prometteuses, mais elles ne permettaient pas de prédire avec précision le transfert d’énergie. Les auteurs se sont donc tournés vers les simulations numériques qui pouvaient donner une image plus complète de la physique.
Il en est ressorti une explication compliquée de la conversion d’énergie : après l’arrêt de l’expansion, les atomes du bord extérieur de l’anneau se heurtent à leur nouvelle limite élargie et sont renvoyés vers le centre du nuage.
Là, ils interfèrent avec les atomes qui continuent à se déplacer vers l’extérieur, créant une zone au centre où presque aucun atome ne peut vivre.
Les atomes situés de part et d’autre de cette zone inhospitalière présentaient des propriétés quantiques inadaptées, comme deux horloges voisines qui ne sont pas identiques.désynchronisé.
La situation était très instable et a fini par s’effondrer, entraînant la création de tourbillons dans tout le nuage.
Ces vortex, ou petits tourbillons quantiques, se brisaient et généraient des ondes sonores qui couraient autour de l’anneau, comme les particules et les radiations laissées après l’inflation.
Certains tourbillons s’échappaient même du bord du BEC, créant un déséquilibre qui laissait le nuage en rotation.
Contrairement à l’analogie avec la friction de Hubble, l’histoire compliquée de la façon dont les atomes qui s’agitent peuvent créer des douzaines de tourbillons quantiques ne ressemble en rien à ce qui se passe pendant et après l’inflation.
De futures expériences pourraient étudier de plus près le transfert compliqué d’énergie pendant l’expansion, ou même rechercher d’autres analogies cosmologiques.
“Ce qui est bien, c’est qu’à partir de ces résultats, nous savons maintenant comment concevoir des expériences à l’avenir pour cibler les différents effets que nous espérons voir. Et comme les théoriciens proposent des modèles, cela nous donne un banc d’essai où nous pouvons étudier ces modèles et voir ce qui se passe”, a déclaré M. Campbell.
