29.6 : L'univers inflationniste
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Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Décrivez deux propriétés importantes de l'univers que le modèle simple du Big Bang ne peut expliquer
- Expliquez pourquoi ces deux caractéristiques de l'univers peuvent être expliquées s'il y a eu une période d'expansion rapide (inflation) de l'univers juste après le Big Bang
- Nommez les quatre forces qui contrôlent tous les processus physiques de l'univers
Le modèle Big Bang que nous avons décrit connaît un succès remarquable. Il rend compte de l'expansion de l'univers, explique les observations du CMB et prédit correctement l'abondance des éléments légers. Il s'avère que ce modèle prédit également qu'il devrait y avoir exactement trois types de neutrinos dans la nature, et cette prédiction a été confirmée par des expériences avec des accélérateurs à haute énergie. Mais nous ne pouvons pas encore nous détendre. Ce modèle standard de l'univers n'explique pas toutes les observations que nous avons faites sur l'univers dans son ensemble.
Problèmes liés au modèle Big Bang standard
Un certain nombre de caractéristiques de l'univers ne peuvent être expliquées qu'en examinant plus en détail ce qui aurait pu se passer avant l'émission du CMB. L'un des problèmes du modèle standard du Big Bang est qu'il n'explique pas pourquoi la densité de l'univers est égale à la densité critique. Après tout, la densité de masse aurait pu être si faible et les effets de l'énergie noire si importants que l'expansion aurait été trop rapide pour former des galaxies. Sinon, il aurait pu y avoir tellement de matière que l'univers aurait déjà commencé à se contracter bien avant maintenant. Pourquoi l'univers est-il si précisément équilibré à la limite de la densité critique ?
Un autre casse-tête est la remarquable uniformité de l'univers. La température du CMB est la même, à environ 1 partie sur 100 000, partout où nous regardons. On pourrait s'attendre à cette similitude si toutes les parties de l'univers visible étaient en contact à un moment donné et avaient le temps d'atteindre la même température. De la même manière, si nous mettons de la glace dans un verre d'eau tiède et que nous attendons un moment, la glace fondra et l'eau refroidira jusqu'à ce qu'elle atteigne la même température.
Cependant, si nous acceptons le modèle standard du Big Bang, toutes les parties de l'univers visible n'étaient en contact à aucun moment. La vitesse de la lumière est la plus rapide que l'information peut passer d'un point à un autre. Il y a une distance maximale que la lumière peut parcourir depuis n'importe quel point depuis la création de l'univers. C'est la distance que la lumière aurait pu parcourir depuis lors. Cette distance est appelée distance d'horizon de ce point, car tout ce qui est plus éloigné se trouve « en dessous de son horizon », c'est-à-dire qu'il est impossible d'entrer en contact avec lui. Une région de l'espace séparée d'une autre par une distance supérieure à l'horizon en a été complètement isolée tout au long de l'histoire de l'univers.
Si nous mesurons le CMB dans deux directions opposées dans le ciel, nous observons des régions qui se trouvaient nettement au-delà de la distance d'horizon de l'autre au moment où le CMB a été émis. Nous pouvons voir les deux régions, mais elles ne se sont jamais vues. Pourquoi, alors, leurs températures sont-elles si exactement les mêmes ? Selon le modèle standard Big Bang, ils n'ont jamais pu échanger d'informations et il n'y a aucune raison pour qu'ils aient des températures identiques. (C'est un peu comme voir les vêtements que portent tous les élèves de deux écoles situées dans des régions différentes du monde devenir identiques, sans que les élèves n'aient jamais été en contact.) La seule explication que nous pouvions suggérer était simplement que l'univers a commencé par être absolument uniforme (ce qui revient à dire que tous les étudiants sont nés avec les mêmes vêtements). Les scientifiques sont toujours mal à l'aise lorsqu'ils doivent faire appel à un ensemble spécial de conditions initiales pour tenir compte de ce qu'ils voient.
L'hypothèse inflationniste
Certains physiciens ont suggéré que ces caractéristiques fondamentales du cosmos, sa planéité et son uniformité, peuvent être expliquées si peu de temps après le Big Bang (et avant l'émission du CMB), l'univers a connu une augmentation soudaine de taille. Un univers modèle dans lequel cette expansion rapide et précoce se produit est appelé univers inflationniste. L'univers inflationniste est identique à l'univers du Big Bang pour toujours après les 10 à 30 premières secondes. Avant cela, le modèle suggère qu'il y a eu une brève période d'expansion ou d'inflation extraordinairement rapide, au cours de laquelle l'échelle de l'univers a augmenté d'un facteur environ 1050 fois plus que ce que prévoyaient les modèles standard du Big Bang (Figure\(\PageIndex{1}\)).
Avant (et pendant) l'inflation, toutes les parties de l'univers que nous pouvons maintenant voir étaient si petites et si proches les unes des autres qu'elles pouvaient échanger des informations, c'est-à-dire que la distance d'horizon incluait tout l'univers que nous pouvons maintenant observer. Avant (et pendant) l'inflation, il y avait suffisamment de temps pour que l'univers observable s'homogénéise et atteigne la même température. Ensuite, l'inflation a considérablement élargi ces régions, de sorte que de nombreuses parties de l'univers se situent désormais au-delà de l'horizon de l'autre.
Un autre attrait du modèle inflationniste est sa prédiction selon laquelle la densité de l'univers devrait être exactement égale à la densité critique. Pour comprendre pourquoi il en est ainsi, rappelez-vous que la courbure de l'espace-temps est intimement liée à la densité de la matière. Si l'univers a commencé avec une certaine courbure de son espace-temps, une analogie pourrait être la peau d'un ballon. La période de gonflage équivalait à faire exploser le ballon jusqu'à ce qu'il atteigne une taille énorme. L'univers est devenu si grand que de notre point de vue, aucune courbure ne devrait être visible (Figure\(\PageIndex{2}\)). De la même manière, la surface de la Terre est si grande qu'elle nous paraît plate, peu importe où nous nous trouvons. Les calculs montrent qu'un univers sans courbure est un univers qui se trouve à une densité critique. Les univers dont la densité est supérieure ou inférieure à la densité critique présenteraient une courbure marquée. Mais nous avons vu que les observations du CMB, qui montrent que l'univers possède une densité critique, excluent la possibilité que l'espace soit fortement incurvé.
Grandes théories unifiées
Bien que l'inflation soit une idée intrigante et largement acceptée par les chercheurs, nous ne pouvons pas observer directement les événements si tôt dans l'univers. Les conditions à l'époque de l'inflation étaient si extrêmes qu'il est impossible de les reproduire dans nos laboratoires ou dans des accélérateurs à haute énergie, mais les scientifiques ont des idées sur ce à quoi aurait pu ressembler l'univers. Ces idées sont appelées « grandes théories unifiées » ou GUT.
Dans les modèles GUT, les forces que nous connaissons bien sur Terre, y compris la gravité et l'électromagnétisme, se sont comportées très différemment dans les conditions extrêmes des débuts de l'univers par rapport à ce qu'elles sont aujourd'hui. En sciences physiques, le terme force est utilisé pour décrire tout ce qui peut modifier le mouvement d'une particule ou d'un corps. L'une des découvertes remarquables de la science moderne est que tous les processus physiques connus peuvent être décrits par l'action de quatre forces seulement : la gravité, l'électromagnétisme, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible (tableau\(\PageIndex{1}\)).
| Force | Force relative aujourd'hui | Gamme d'action | Applications importantes |
|---|---|---|---|
| Gravité | 1 | Univers entier | Mouvements de planètes, d'étoiles et de galaxies |
| Electromagnétisme | 10 36 | Univers entier | Atomes, molécules, électricité, champs magnétiques |
| Force nucléaire faible | 10 33 | 10 à 17 mètres | Désintégration radioactive |
| Force nucléaire puissante | 10 38 | 10 à 15 mètres | L'existence de noyaux atomiques |
La gravité est peut-être la force la plus familière, et elle apparaît certainement forte si vous sautez d'un haut bâtiment. Cependant, la force de gravité entre deux particules élémentaires, disons deux protons, est de loin la plus faible des quatre forces. L'électromagnétisme, qui comprend à la fois des forces magnétiques et électriques, maintient les atomes ensemble et produit le rayonnement électromagnétique que nous utilisons pour étudier l'univers, est beaucoup plus puissant, comme vous pouvez le voir sur la figure\(\PageIndex{1}\). La force nucléaire faible n'est faible que par rapport à son puissant « cousin », mais elle est en fait beaucoup plus forte que la gravité.
Les forces nucléaires faibles et fortes diffèrent des deux premières en ce sens qu'elles n'agissent que sur de très petites distances, c'est-à-dire des distances comparables à la taille d'un noyau atomique ou moins. La force faible est impliquée dans la désintégration radioactive et dans les réactions qui aboutissent à la production de neutrinos. La force puissante maintient les protons et les neutrons ensemble dans un noyau atomique.
Les physiciens se demandent pourquoi il existe quatre forces dans l'univers, pourquoi pas 300 ou, de préférence, une seule. Un indice important vient du nom de force électromagnétique. Pendant longtemps, les scientifiques ont cru que les forces de l'électricité et du magnétisme étaient distinctes, mais James Clerk Maxwell (voir le chapitre sur le rayonnement et les spectres) a réussi à unifier ces forces, pour montrer qu'elles sont des aspects d'un même phénomène. De la même manière, de nombreux scientifiques (dont Einstein) se sont demandé si les quatre forces que nous connaissons aujourd'hui pouvaient également être unifiées. Les physiciens ont en fait développé des GUT qui unifient trois des quatre forces (mais pas la gravité).
Dans ces théories, les forces fortes, les forces faibles et les forces électromagnétiques ne sont pas trois forces indépendantes, mais plutôt des manifestations ou des aspects différents de ce qui est, en fait, une force unique. Les théories prédisent qu'à des températures suffisamment élevées, il n'y aurait qu'une seule force. À des températures plus basses (comme celles de l'univers aujourd'hui), cette force unique s'est toutefois transformée en trois forces différentes (Figure\(\PageIndex{3}\)). Tout comme différents gaz ou liquides gèlent à différentes températures, on peut dire que les différentes forces « se sont figées » à partir de la force unifiée à différentes températures. Malheureusement, les températures auxquelles les trois forces ont agi comme une seule force sont si élevées qu'aucun laboratoire sur Terre ne peut les atteindre. Seul l'univers primitif, parfois avant 10 à 35 secondes, était suffisamment chaud pour unifier ces forces.
De nombreux physiciens pensent que la gravité était également unifiée avec les trois autres forces à des températures encore plus élevées, et les scientifiques ont essayé de développer une théorie combinant les quatre forces. Par exemple, dans la théorie des cordes, les particules de matière ponctuelles dont nous avons parlé dans ce livre sont remplacées par des objets unidimensionnels appelés chaînes. Dans cette théorie, les chaînes infinitésimales, qui ont une longueur mais non une hauteur ou une largeur, sont les éléments de base utilisés pour construire toutes les formes de matière et d'énergie de l'univers. Ces chaînes existent dans un espace à 11 dimensions (et non dans l'espace-temps à 4 dimensions que nous connaissons bien). Les cordes vibrent dans différentes dimensions et, selon la façon dont elles vibrent, elles sont perçues dans notre monde sous forme de matière, de gravité ou de lumière. Comme vous pouvez l'imaginer, les mathématiques de la théorie des cordes sont très complexes et la théorie n'a pas encore été testée par des expériences. Même les plus grands accélérateurs de particules de la Terre n'atteignent pas une énergie suffisante pour montrer si la théorie des cordes s'applique au monde réel.
La théorie des cordes intéresse les scientifiques car c'est actuellement la seule approche qui semble avoir le potentiel de combiner les quatre forces pour produire ce que les physiciens ont appelé la « théorie du tout ». 1 Les théories des premières phases de l'univers doivent tenir compte à la fois de la mécanique quantique et de la gravité, mais au niveau le plus simple, la gravité et la mécanique quantique sont incompatibles. La relativité générale, notre meilleure théorie de la gravité, indique que les mouvements des objets peuvent être prédits avec précision. La mécanique quantique dit qu'on ne peut calculer que la probabilité (chance) qu'un objet fasse quelque chose. La théorie des cordes tente de résoudre ce paradoxe. Les mathématiques qui sous-tendent la théorie des cordes sont élégantes et belles, mais il reste à voir si elles permettront de faire des prédictions qui pourront être testées par des observations dans des accélérateurs à haute énergie encore à développer sur Terre ou par des observations des débuts de l'univers.
La période la plus ancienne de l'histoire de l'univers, entre le temps zéro et le temps 10 à 43 secondes, s'appelle le temps de Planck. L'univers était incroyablement chaud et dense, et les théoriciens pensent qu'à cette époque, les effets quantiques de la gravité dominaient les interactions physiques et, comme nous venons de le dire, nous n'avons aucune théorie testée de la gravité quantique. On suppose que l'inflation s'est produite un peu plus tard, alors que l'univers était âgé de 10 à 35 à 10 à 33 secondes et que la température était de 10 27 à 10 28 K. Cette expansion rapide s'est produite lorsque trois forces (électromagnétiques, fortes et faibles) sont censé avoir été unifié, et c'est à ce moment que les GUT sont applicables.
Après l'inflation, l'univers a continué de s'étendre (mais plus lentement) et de se refroidir. Une étape importante a été franchie lorsque la température est tombée à 10 15 K et que l'univers a atteint 10 à 10 secondes. Dans ces conditions, les quatre forces étaient séparées et distinctes. Les accélérateurs de particules à haute énergie peuvent atteindre des conditions similaires, de sorte que les théories de l'histoire de l'univers à partir de ce moment ont une base solide pour les expériences.
À ce jour, nous n'avons aucune preuve directe de la situation qui régnait à l'époque inflationniste, et les idées présentées ici sont spéculatives. Les chercheurs tentent de mettre au point des tests expérimentaux. Par exemple, les fluctuations quantiques survenues au tout début de l'univers auraient provoqué des variations de densité et produit des ondes gravitationnelles qui auraient pu laisser une empreinte détectable sur le CMB. La détection d'une telle empreinte nécessitera des observations avec des équipements dont la sensibilité est améliorée par rapport à ce que nous avons aujourd'hui. En fin de compte, cela pourrait toutefois confirmer que nous vivons dans un univers qui a connu une époque d'inflation rapide.
Si vous êtes typique des étudiants qui lisent ce livre, vous avez peut-être trouvé cette brève discussion sur la matière noire, l'inflation et la cosmologie un peu frustrante. Nous avons donné un aperçu des théories et des observations, mais nous avons soulevé plus de questions que nous n'avons répondu. Qu'est-ce que la matière noire ? Qu'est-ce que l'énergie noire ? L'inflation explique les observations de planéité et d'uniformité de l'université, mais est-ce que cela s'est réellement produit ? Ces idées sont à la pointe de la science moderne, où les progrès mènent presque toujours à de nouvelles énigmes et où il reste encore beaucoup à faire avant de pouvoir y voir clair. N'oubliez pas que moins d'un siècle s'est écoulé depuis que Hubble a démontré l'existence d'autres galaxies. La quête visant à comprendre comment l'univers des galaxies est né occupera les astronomes pendant encore longtemps.
Résumé
Le modèle Big Bang n'explique pas pourquoi le CMB a la même température dans toutes les directions. Cela n'explique pas non plus pourquoi la densité de l'univers est si proche de la densité critique. Ces observations peuvent s'expliquer si l'univers a connu une période d'expansion rapide, que les scientifiques appellent inflation, environ 10 à 35 secondes après le Big Bang. De nouvelles grandes théories unifiées (GUT) sont en cours d'élaboration pour décrire les processus physiques de l'univers avant et au moment de l'inflation.
Notes
3 Ce nom est devenu le titre d'un film sur le physicien Stephen Hawking en 2014.
Lexique
- grandes théories unifiées
- (GUT) théories physiques qui tentent de décrire les quatre forces de la nature comme des manifestations différentes d'une seule force
- univers inflationniste
- une théorie de la cosmologie selon laquelle l'univers est supposé avoir connu une phase d'expansion très rapide alors qu'il avait environ 10 à 35 secondes ; après cette période d'expansion rapide, les modèles standard du Big Bang et de l'inflation sont identiques