Les « feuilles » cachées de la gravité peuvent se déchirer et se reconnecter comme le fait le champ magnétique du soleil, suggère un nouveau regard sur les équations d’Einstein

La reconnexion magnétique – le processus à l’origine des éruptions solaires les plus violentes – pourrait avoir une contrepartie dans la gravité.

Selon une nouvelle étude théorique, les structures en forme de feuille dans le champ gravitationnel peuvent se briser et se reconnecter selon de nouveaux arrangements, un peu comme le champ magnétique lignes qui déclenchent des éruptions solaires.

Construit entièrement sur Albert EinsteinSelon la théorie de la relativité générale de l’Institut, l’étude précise quand cette « reconnexion gravitationnelle » peut se produire. Il offre également un moyen de mesurer la rapidité avec laquelle se déroule la reconnexion théorique et suggère un changement dans la manière dont la gravité et la matière échangent de l’énergie. Le processus pourrait même jouer un rôle dans trou noir collisions, suggèrent les chercheurs.

Des éruptions solaires à l’espace-temps

Les lignes de champ magnétique sont normalement « gelées » dans le plasma – le gaz chaud et chargé électriquement qui constitue les étoiles – et transportées partout où elles circulent. Les lignes peuvent être étirées et tordues, mais pas coupées. Lorsque cette règle n’est pas respectée, ils peuvent se briser et se rejoindre dans un processus appelé reconnexion magnétique, libérant l’énergie refoulée sous forme d’explosions explosives telles que les éruptions solaires.

« En physique des plasmas, la reconnexion est devenue un élément essentiel de notre compréhension de la façon dont les champs magnétiques se réorganisent et échangent de l’énergie avec la matière », Luca Comissoastrophysicien à l’Université de Columbia et premier auteur de l’étude, a déclaré à Live Science par e-mail. « Est-ce que quelque chose de similaire pourrait être vrai pour la gravité ? »

« La gravité et le magnétisme décrivent des aspects très différents de la nature, il n’y a donc aucune raison évidente de s’attendre à ce qu’ils se comportent de la même manière », a déclaré Comisso. « Mais lorsque nous exprimons les équations d’Einstein sous une forme mathématique particulière, certains des mêmes principes qui régissent les champs magnétiques apparaissent également dans la gravité. Nous voulions comprendre si ces similitudes s’étendaient à la reconnexion elle-même. »

Comisso et co-auteur de l’étude Felipe Asenjophysicien à l’Université Adolfo Ibáñez au Chili, a utilisé un cadre mathématique connu sous le nom de formulation tétrade. « La théorie d’Einstein décrit la gravité à travers la géométrie de l’espace-temps », a expliqué Comisso. Mais dans la formulation tétrade, « certains aspects de la gravité peuvent être exprimés par des quantités ressemblant à des champs électriques et magnétiques ».

Dans une étude antérieure publiée dans la revue Lettres d’examen physique plus tôt cette année, les chercheurs ont appliqué ce cadre à pesanteur. Cette étude suggère que les champs gravitationnels peuvent former des structures bidimensionnelles appelées feuilles de champs gravitationnels. Des deux dimensions des feuilles, l’une s’étend à travers l’espace et l’autre à travers le temps – chaque feuille est donc la trace qu’une ligne laisse au fil du temps. Un instantané à tout instant saisit donc chaque feuille comme une ligne, semblable aux lignes de champ tracées autour d’un aimant. Et, comme les lignes de champ magnétique figées dans un plasma, « dans certaines conditions, ces feuilles évoluent sans se briser ni changer la façon dont elles sont connectées », a expliqué Comisso.

Recâblage de la gravité

Dans la nouvelle étude, publiée 28 octobre dans la revue Physical Review Dles chercheurs ont constaté que ce n’est pas toujours le cas. « Les feuilles de champ gravitationnel peuvent se briser et se reconnecter selon un arrangement différent, un peu comme le font les lignes de champ magnétique dans les plasmas », a déclaré Comisso.

Les chercheurs ont montré que le non-respect de la règle du gel ne garantit pas, en soi, la reconnexion. Parfois, les feuilles glissent simplement par rapport au flux qui les transporte, restant intactes car figées dans un flux différent. Une véritable reconnexion ne se produit que lorsqu’aucun flux alternatif n’existe.

« Nous avons également dérivé des équations décrivant la rapidité avec laquelle cette reconnexion peut se produire et comment elle peut affecter le transfert d’énergie et de quantité de mouvement », a déclaré Comisso. Dans relativité généralela gravité et la matière peuvent échanger de l’énergie et de l’élan, seul leur total combiné étant conservé. L’étude montre que la reconnexion modifie le taux local de cet échange.

La reconnexion modifie également l’hélicité gravitationnelle, la contrepartie gravitationnelle d’une quantité qui mesure la façon dont les lignes de champ magnétique sont tordues et interconnectées. Les feuilles gelées maintiennent leur hélicité fixe, mais la reconnexion peut la créer ou la détruire.

Les résultats ne nécessitent pas de nouvelle physique. « Tout découle de la relativité générale d’Einstein », a déclaré Comisso.

« Einstein a développé sa théorie il y a plus d’un siècle, et elle a passé un nombre extraordinaire de tests expérimentaux« , a-t-il ajouté.  » Pourtant, même après plus d’un siècle, il reste encore de nouvelles connaissances à tirer de ces mêmes équations. « 

Indices des collisions de trous noirs

Ce qui pourrait déclencher une reconnexion gravitationnelle dans la nature reste une question ouverte. Parmi les candidats suggérés par les chercheurs figurent les singularités qui se cachent au cœur des trous noirs et l’effet combiné d’ondulations gravitationnelles trop petites pour être suivies individuellement. Effets quantiques liés à Rayonnement de Hawking – la faible lueur que devraient émettre les trous noirs – pourrait également jouer un rôle.

« Nous n’en sommes qu’au début, mais l’une des possibilités les plus intéressantes est que la reconnexion gravitationnelle pourrait jouer un rôle dans des événements extrêmes, comme la fusion de deux trous noirs ou la collision d’étoiles à neutrons », a déclaré Comisso. « Ce sont des environnements où la gravité est extrêmement forte et où la géométrie de l’espace-temps change radicalement. »

De telles collisions provoquent des ondulations dans l’espace-temps appelées ondes gravitationnellesque des détecteurs tels que LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) enregistrent depuis 2015. « Nous aimerions comprendre si la reconnexion gravitationnelle pourrait contribuer au transfert d’énergie et si elle pourrait laisser une signature reconnaissable dans les ondes gravitationnelles », a ajouté Comisso. « Nous ne connaissons pas encore les réponses, mais ce sont des questions sur lesquelles nous pouvons maintenant commencer à enquêter. »