Le processus d’inflation (expansion rapide et violente de l’univers dans ses premiers instants), un phénomène ayant duré pas plus de quelques fractions de seconde permettant d’expliquer les paradoxes de la théorie du Big Bang a peut être un frère jumeau. En effet, une étude théorique a avancé l’idée d’une seconde inflation, ce qui peut expliquer pourquoi aujourd’hui la matière noire est si diluée au sein du cosmos. Cependant, seules les futures expériences effectuées avec les grands accélérateurs de particules seront en mesure de confirmer ou démentir cette nouvelle hypothèse.

La théorie standard d’évolution de l’Univers aurait donc sauté une étape ? Il semble que oui, en tout cas selon les résultats d’une étude menée par les physiciens du Laboratoire national de Brookhaven. L’article rédigé par l’équipe a été accepté pour publication dans le Physical Review Letters et comprend comme auteur principal, Hooman Davoudias. L’article en question présente une théorie d’inflation dite secondaire : un processus similaire à la première inflation, mais plus courte que celle généralement acceptée par la communauté scientifique pour expliquer l’évolution de l’univers.

L’inflation est l’expansion extrêmement rapide et violente ayant eu lieu en quelques fractions de seconde après le début de l’univers (10-32 s). Envisagée pour la première fois au début des années 80 par le physicien soviétique Alexei Starobinsky et, en même temps, par l’américain Alan Guth, elle permet de résoudre les paradoxes de la théorie du Big Bang.

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Illustration de la seconde inflation de l’Univers. Crédit : Brookhaven National Laboratory

Étroitement liée à la théorie de l’inflation, il existe cependant un autre problème majeur dans la cosmologie qui fait couler pas mal d’encre ces derniers temps : la matière noire. La matière noire est un type de matière indétectable avec des instruments d’observation, mais « nécessaire » aux théories actuelles. Sans elle, la dynamique des galaxies ainsi que des phénomènes tels que l’effet de lentille gravitationnelle (déviation des rayons lumineux qui proviennent de l’univers profond par des objets très massifs qui sont situés dans le premier plan par rapport à l’observation), resteraient en grande partie inexpliqués.

Parmi les candidats envisageables qui constitueraient la matière noire, il y a les WIMP (Weakly interacting massive particles) ou en français « particules à interaction faible », qui entrent en collision les unes avec les autres en s’annihilant. Pour ce faire, cependant, la densité de ces particules doit être suffisamment élevée, ce qui expliquerait pourquoi la corrélation entre l’inflation et la matière noire s’est établie dans les étapes primordiales de la vie de l’Univers. Quand les températures ont dépassé le milliard de degrés dans un volume relativement faible de l’espace, les particules de matière noire pouvaient entrer en collision les unes avec les autres. Mais, comme l’univers a continué à se développer et à se refroidir, les particules de matière noire se collisionnaient avec une fréquence de moins en moins élevée. Par conséquent, le taux d’annihilation, dépendant de cette fréquence, ne pouvait pas suivre le rythme d’expansion.

« Rappelons-nous que la matière noire interagit très faiblement : par conséquent, un taux élevé d’annihilation ne pouvait durer davantage à des températures plus basses », a expliqué Hooman Davoudias. « L’auto-annihilation de la matière noire est devenue inefficace de manière assez rapide. Ainsi, la quantité de matière noire s’est figée une fois pour toutes ».

 

Quelle quantité de matière noire contient l’univers ?

Il est difficile de donner une valeur absolue, mais des expériences menées ces dernières années ont placé des limites de plus en plus strictes quant à l’intensité de l’interaction de la matière noire. Il a été conclu que certaines théories actuelles surestiment la quantité de ce type de matière.

Mais il faut savoir que ce qui a permis au départ d’établir une première estimation de la quantité de matière noire au sein de notre Univers ne sont pas que les théories. En effet, c’est en partie grâce aux observations du satellite Planck et à l’exploitation de ses données que le nouveau modèle de répartition de la densité d’énergie de l’Univers a pu être établi. La matière noire en est une des composantes principales.

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Répartition de la densité d’énergie de l’Univers après exploitation des premières données du satellite Planck. Crédit : Wikipédia

 

Une théorie bientôt mise à l’épreuve

La question traitée au paragraphe précédent est l’une des principales raisons ayant poussé les chercheurs de Brookhaven à établir l’hypothèse d’une étape intermédiaire lors des premiers stades d’évolution de l’Univers, qui nous le rappelons, se résumerait en une expansion plus courte et plus limitée que la « grande inflation ». Elle aurait eu lieu juste après celle-ci, à des températures tout de même élevées. Cela aurait permis à un grand nombre de particules de matière noire d’entrer en collision entre elles et donc de provoquer leur annihilation. La « seconde inflation » expliquerait pourquoi la matière noire semble maintenant si diluée au sein du cosmos. La pièce manquante du puzzle consiste maintenant en une une confirmation expérimentale qui d’ailleurs, ne sera pas facile à obtenir.

« Si elle a effectivement eu lieu, cette seconde étape d’inflation était probablement caractérisée par des énergies faisant partie du domaine d’étude atteint par les expériences pouvant être effectuées grâce à des accélérateurs de particules comme le RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) à Brookhaven et bien entendu, également par le LHC (Large Hadron Collider) du CERN, à Genève. », conclu Hooman Davoudias.

En considérant tous ces éléments, il en va de dire que seules les expériences effectuées par ces accélérateurs seront capables de donner les indications et les compléments nécessaires afin d’en savoir un peu plus sur cette nouvelle théorie de l’inflation et d’ainsi apporter des conclusions plus précises. Sera-t-elle officiellement validée un jour ?

 

BONUS VIDÉO : La création de l’univers (extrait d’un documentaire)

Source : Scientificamerican

 

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