Des astrophysiciens simulent des amas microscopiques issus du Big Bang

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L’étude des premiers instants de l’Univers après le Big Bang n’est possible que par la combinaison de trois éléments : l’observation de l’espace lointain, les modèles théories/mathématiques et la simulation (dépendante du deuxième élément). Ces dernières années, les avancées en matière d’observation et en informatique ont permis diverses améliorations majeures des modèles et des simulations. Dans cette lancée, des physiciens néo-zélandais ont à nouveau considérablement amélioré la capacité des simulations informatiques complexes décrivant les premiers instants de l’Univers. Ils ont alors découvert qu’un réseau complexe de petites structures, probablement des « halos d’inflatons », aurait pu se former dès les premières fractions de seconde après le Big Bang.

Selon les chercheurs, le comportement de ces halos d’inflatons (une forme de matière hypothétique qui serait responsable de l’inflation cosmique) imite la distribution des galaxies dans l’Univers actuel. Cependant, contrairement à aujourd’hui, ces structures primordiales sont microscopiques.

Les amas générés dans la simulation ont une masse de quelques grammes seulement sont bien plus petits que les particules élémentaires actuelles. Les chercheurs, des universités de Göttingen et d’Auckland (Nouvelle-Zélande), ont publié leurs résultats dans la revue Physical Review D. « L’Univers primitif a peut-être traversé une période prolongée d’expansion dominée par la matière après l’inflation et avant le début de la domination par le rayonnement », écrivent les chercheurs dans le document.

La plus grande simulation de la plus petite zone de l’Univers jamais réalisée

Toujours à cette petite échelle, ils ont pu observer le développement de régions de plus forte densité, maintenues ensemble par leur propre gravité. « L’espace physique représenté par notre simulation tiendrait dans un seul proton un million de fois », explique le professeur Jens Niemeyer, chef du groupe de cosmologie astrophysique de l’université de Göttingen. « C’est probablement la plus grande simulation de la plus petite zone de l’Univers qui ait été réalisée jusqu’à présent ». Selon lui, ces simulations permettent d’obtenir des prédictions plus précises sur les vestiges des tout débuts de l’Univers.

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Les résultats de la simulation montrent la croissance de minuscules structures extrêmement denses, les « halos d’inflatons », très peu de temps après la phase d’inflation de l’univers très primitif. Entre l’état initial et l’état final de la simulation (respectivement en haut à gauche et à droite), la zone représentée s’est étendue pour atteindre dix millions de fois son volume initial, mais elle reste tout de même bien plus petite que l’intérieur d’un proton. L’amas agrandi en bas à gauche aurait une masse d’environ 20 kg. © Jens Niemeyer, Université de Göttingen

Bien que les structures simulées par ordinateur seraient en réalité de très courte durée et finiraient par se « vaporiser » en particules élémentaires standard, des traces de cette phase extrêmement précoce pourraient être détectables dans de futures expériences. « La formation de telles structures, ainsi que leurs mouvements et interactions, ont dû générer un bruit de fond d’ondes gravitationnelles », explique Benedikt Eggemeier, doctorant et auteur principal de l’étude. « À l’aide de nos simulations, nous pouvons calculer la force de ce signal d’ondes gravitationnelles, qui pourrait être mesurable à l’avenir ».

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Il est également concevable que de minuscules trous noirs se forment si ces structures subissent un effondrement incontrôlé. Si cela se produit, ces derniers pourraient avoir des conséquences observables aujourd’hui, ou faire partie de la mystérieuse matière noire de l’Univers. « D’un autre côté, si les simulations prévoient la formation de trous noirs et que nous ne les voyons pas, alors nous aurons trouvé une nouvelle façon de tester les modèles de l’Univers naissant », conclut Richard Easther, co-auteur de l’étude.

Source : Physical Review D

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