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[Dossier] Avant le Big Bang … ? – Des défauts dans “toujours”

[Dossier] Avant le Big Bang … ? – Des défauts dans “toujours”

[Dossier] Avant le Big Bang … ? – Des défauts dans “toujours” 600 600 Sébastien BAGES

Cet article est la partie deux de notre dossier ‘Avant le Big Bang’. Pour revenir à la partie une, cliquez ici.


Un nouveau coup porté à l’univers éternel est venu de la théorie. Dans les années 1960, Roger Penrose et Stephen Hawking étaient deux jeunes théoriciens de l’Université de Cambridge. Leurs travaux ont montré que si l’on inversait l’expansion de l’univers, il est impossible d’éviter d’atteindre un point connu comme une singularité, où les paramètres physiques comme la densité et la température monterait en flèche vers l’infini. Fondamentalement, la physique échoue à atteindre une singularité, rendant impossible à prédire ce qui se trouve de l’autre côté. Selon Penrose et Hawking, le big bang doit vraiment être le début.

Et alors, fin de l’histoire ? Eh bien, non. Il s’avère qu’il y a une faille dans les théorèmes de singularité de Penrose et Hawking. Selon les lois de Newton, la gravitation d’un objet ne dépend que de sa masse. La perspicacité d’Einstein a montré que la force de gravité dépend également de la densité d’énergie d’un objet et, surtout, sa pression. En extrapolant de leurs théorèmes puissants, Penrose et Hawking avaient supposé que la pression de l’espace est toujours faible et positive. Mais que faire s’ils avaient tort ? « Il est juste que cette possibilité a ouvert la voie aux théories cosmologiques modernes et que le big bang n’est pas un commencement à tout », a signalé Vilenkin. « Le vecteur en amont est l’inflation ».

L’inflation, une théorie que Vilenkin a contribué à créer, commence par un vide avec un état d’énergie exceptionnellement élevé et une pression négative. Ensemble, ils donnent une gravité répulsive du vide qui pousse les choses en dehors plutôt que de les rassembler. Ces effets gonflent le vide, le rendant plus répulsif, ce qui entraîne une expansion encore plus rapide.

Mais le vide quantique est inflationniste dans la nature, ce qui le rend instable. Imaginez le vide comme un vaste océan d’eau bouillonnante, avec des bulles qui se forment et s’étendent sur toute sa longueur et sa largeur. L’énergie du vide inflationniste doit aller quelque part et, pour se faire, il va être créé de la matière et de la chaleur à une température terriblement élevée à l’intérieur de chaque bulle. Cela entraînera la création de big bangs. Notre univers est à l’intérieur d’une bulle qui apparaît dans un grand fracas, 13,7 milliards d’années plus tôt.

L’une des caractéristiques les plus frappantes de l’inflation, c’est qu’elle est éternelle. Le nouveau vide de haute énergie est créé beaucoup plus rapidement qu’il n’est rongé par sa désintégration dans le vide ordinaire, ce qui signifie qu’une fois lancée, l’inflation ne s’arrête jamais et la bulle-univers continue à exister dans l’avenir. Mais, parce que l’inflation éternelle évite la singularité redoutée, elle ouvre aussi la possibilité que cela a toujours été le cas avec d’autres univers bouillonnant dans le passé.

L’inflation est compatible avec toutes nos observations, et Vilenkin est à peu près certain que c’est fondamentalement correct. Pourtant, réside encore un problème avec l’inflation éternelle, que Vilenkin avait découvert en 2003 lorsqu’il a fait équipe avec Arvind Borde du Southampton College de New York et le pionnier de l’inflation, Alan Guth, du Massachusetts Institute of Technology.


Ils ont calculé ce qui se passerait dans un univers en pleine expansion et sans faire aucune hypothèse sur l’énergie ou la gravité. Leur théorème a simplement supposé que, en moyenne, l’univers se dilate. « À notre grand étonnement, il a montré que l’espace-temps ne pas continuer éternellement dans la plupart des orientations passées », a expliqué Vilenkin. « L’inflation doit avoir un commencement ».

Cependant, l’inflation n’est pas le seul modèle en jeu. Ainsi, des scénarios alternatifs pourraient-ils avoir un début ? Plus tôt cette année, Vilenkin fait équipe avec Audrey Mithani, son collègue à l’Université Tufts à Medford, dans le Massachusetts, pour examiner deux des principaux scénarios alternatifs cosmologiques.

Le premier est ‘l’univers cyclique’ développé dans la théorie des cordes par Neil Turok de l’Institut Périmètre du Canada pour la physique théorique à Waterloo, en Ontario, et Paul Steinhardt de l’université de Princeton. Dans ce scénario, notre univers est une île à quatre dimensions, ou ‘brane’, dans un espace de plus grandes dimensions. Elle se heurte à plusieurs reprises avec une brane secondaire (voir schéma ci-dessous). Pensez à ces deux branes comme deux tranches de pain parallèles, qui se rassemblent le long d’une cinquième dimension, passant l’une dans l’autre, s’éloignant à nouveau, puis se réunissant encore. Chaque fois que les branes se touchent, leur formidable énergie en mouvement le long de la cinquième dimension crée de la matière sur chaque membrane et la chauffe à des températures énormes. Pour les observateurs sur la brane, cela ressemble exactement à un big bang et conduirait aux mêmes modèles dans le fond diffus cosmologique et les distributions de galaxies. Pourtant, c’est un big bang sans commencement, ont réagi immédiatement Turok et Steinhardt, parce que les cycles sont répétés éternellement.

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Néanmoins, Vilenkin et Mithani ont maintenant démontré que l’univers cyclique ne peut pas perdurer indéfiniment vers l’avenir et le passé. Selon la théorie, la matière sur les branes se dilate plus à chaque cycle, ce qui signifie que le théorème de Borde-Guth-Vilenkin sur l’existence d’un commencement de l’univers est toujours valable. « Si vous rembobinez comme dans un film à l’envers, l’univers cyclique rencontre soit une singularité ou une sorte de début similaire à l’inflation », a-t-il dit.

Un autre scénario cosmologique est considéré par Vilenkin et Mithani encore plus étrange que l’univers cyclique et inflationniste. C’est ‘l’univers émergeant‘ imaginé par George Ellis de l’Université de Cape Town en Afrique du Sud et Maartens Roy de l’Université de Portsmouth, au Royaume-Uni. Tout commence comme un petit univers statique, qui existe dans cet état sur une échelle infinie de temps avant de soudainement se mettre à gonfler. De tels scénarios ne se posent dans la théorie des cordes, l’idée n’est pas totalement improvisée. « C’est un scénario un peu désespéré », a déclaré Vilenkin.

Pour modéliser un univers éternellement émergeant endormi, ce n’est pas si simple. De la même manière que l’univers statique d’Einstein était instable et avait besoin d’ingrédient supplémentaire de répulsion cosmique, Ellis et Maartens ne peuvent leur stabiliser qu’avec deux ingrédients bizarres : du vide avec une énergie négative, et des lignes de faille dans l’espace-temps – connu sous le nom de parois de domaines qui sont une caractéristique de certains modèles de la physique des particules. Les parois de domaines devraient laisser leurs empreintes sur la température du fond diffus cosmologique, qui n’ont pas été vues, mais cela pourrait s’expliquer si elles auraient été diluées par l’inflation.

Lire la suite : Effondrement spontané

Crédit image À-la-Une : © Byoungho Kim / Soft Crash/aluminum, © Piezo, Arduino/330x330x165(D) CM/2011

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Sébastien BAGES
About the author

Sébastien BAGES

Plus de trois années de travail passionné sur Civilisation 2.0 Actus, et fondateur de l'association Civilisation 2.0, je mets à contribution mon expertise de veille technique et scientifique, mon analyse de chef de projet, mon engouement pour la science et ses outils, et mon expérience dans le développement stratégique afin d'offrir à tous ce qui en résulte.

Un commentaire
  • “La perspicacité d’Einstein a montré que la force de gravité dépend également de la densité d’énergie d’un objet et, surtout, sa pression. ” Pouuriez vous m’expliquer comment vosu pouvez relier l amasse d’un objet et sa pression? Qu’est ce que sa pression?

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