Les galaxies sont-elles issues des fluctuations quantiques du vide ?

Le modèle standard de la cosmologie suggère que les structures cosmiques à grande échelle, comme les galaxies, et leur distribution, ont été façonnées très tôt dans l’Univers par des fluctuations de densité. Cependant, il reste encore silencieux sur l’origine de ces fluctuations. Deux hypothèses existent actuellement : ces fluctuations macroscopiques auraient grandi à partir de fluctuations quantiques du vide, ou bien elles proviendraient d’un processus plus classique apparu dans l’Univers primitif. Tester ces hypothèses s’avère extrêmement compliqué au regard de la très faible intensité du signal quantique recherché ou de la cartographie complète des grandes structures que demanderait l’hypothèse classique. Cependant, cela n’empêche pas les cosmologistes de proposer des moyens d’explorer ces pistes.

Dans la première fraction de seconde après le Big Bang, les physiciens pensent que l’Univers est passé par une phase d’expansion extrêmement rapide : un processus appelé inflation. L’une des prédictions de cette théorie est que l’arrangement de toutes les galaxies à travers l’Univers a été fixé par des événements se déroulant au plus petit niveau possible de mesure : le domaine quantique. Les partisans de cette idée, cependant, ont longtemps fait face à une question délicate : pourrons-nous jamais confirmer cette histoire d’origine microscopique si tout ce que nous pouvons voir aujourd’hui sont des résultats macroscopiques ?

« La question de l’origine quantique de la structure cosmique est l’un des aspects les plus intéressants de toute la science », explique Juan Maldacena, théoricien des cordes et cosmologiste à l’Institute for Advanced Study de Princeton. Maldacena et d’autres chercheurs doivent encore trouver une réponse concluante. Mais de nouveaux travaux offrent l’espoir d’une résolution, suggérant que certains modèles révélateurs dans la distribution des galaxies pourraient enfin mettre l’inflation à l’épreuve.

Galaxies : une origine quantique ou classique ?

L’inflation prédit que nous devrions trouver une distribution spatiale presque parfaitement aléatoire des galaxies partout où nous regardons dans le ciel. Selon la théorie, ce caractère aléatoire vient du fait que le cadre dans lequel les galaxies se sont développées avait lui-même une source purement aléatoire : les fluctuations du vide quantique. Le vide quantique est une manifestation des champs quantiques qui remplissent l’Univers. En son sein, des excitations de courte durée des champs surgissent en continu puis disparaissent, créant une sorte de statique quantique qui remplit le vide.

Sans expansion cosmique, cette statique ne présenterait aucune structure pérenne. Conformément à l’inflation, cependant, l’incroyable expansion de l’espace aurait dû agrandir ces micropoints quantiques à la taille macroscopique. Au fur et à mesure de leur croissance, les fluctuations ont perdu la capacité de disparaître dans le vide quantique. Elles sont devenues « classiques », ce qui signifie qu’elles ne suivent plus les lois de la mécanique quantique mais évoluent à la place de manière définie, selon la gravité, comme le précise la théorie de la relativité générale d’Einstein.

Ainsi, après la fin de l’inflation, l’empreinte de cette statique aurait dû persister — apparaissant comme des schémas de densité supérieure ou inférieure à la moyenne dans la répartition autrement uniforme de la matière dans tout l’Univers. Ces schémas ont aidé à guider la formation de galaxies, qui ont fusionné dans les régions de densité plus élevée alors que la matière s’agglutinait davantage sous la force de gravité attractive.

Ce scénario théorique nous amène à la conclusion que les structures les plus grandes et les plus immuables de l’Univers — les galaxies et les amas de galaxies — doivent provenir des oscillations quantiques les plus petites et les plus éphémères. Mais, cette histoire est-elle réellement vraie ? Il existe, bien sûr, d’autres possibilités : peut-être plutôt que de provenir du vide quantique, l’inflation aurait pu être déclenchée par un type de particules quantiques à longue durée de vie.

Ou peut-être qu’un processus encore plus primitif que l’inflation a d’une manière ou d’une autre généré un modèle classique dans l’Univers naissant que l’inflation a amplifié, mais n’a pas créé. L’un ou l’autre de ces scénarios signifierait un changement radical dans notre compréhension de ce qui s’est produit dans les premiers moments de l’Univers.

Origine quantique des galaxies : la difficulté d’identifier un signal révélateur

Les cosmologistes ont réfléchi à ce mystère — et, plus important encore, comment le résoudre — depuis le développement de la théorie inflationniste au début des années 1980. La plupart de ces travaux ont cherché à déterminer à quoi ressembleraient les preuves directes de l’origine du vide quantique et si elles pouvaient être mesurées. Jusqu’à présent, personne n’a trouvé de réponse satisfaisante. Et beaucoup doutent que cette approche puisse fonctionner.

« C’est très difficile. C’est un très petit effet », explique Olivier Doré, cosmologiste au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, qui a soigneusement étudié le problème. Doré et ses collaborateurs ont fait valoir que l’inflation écraserait tout signe révélateur du vide quantique bien en dessous du niveau auquel les mesures réelles pourraient espérer les repérer.

Si nous ne pouvons pas espérer voir des preuves directes du vide quantique, les chercheurs peuvent aborder le problème dans l’autre sens et rechercher des preuves contre l’histoire de l’origine du vide quantique. Doré et Maldacena, qui ont également fait valoir que l’approche directe semble peu prometteuse, pointent tous deux vers une nouvelle étude publiée par les cosmologistes Daniel Green de l’Université de Californie et Rafael Porto du German Electron Synchrotron (DESY). Ce travail, accepté pour publication dans la revue Physical Review Letters, suggère que de telles preuves pourraient être à portée de main grâce à des études minutieuses de toutes les caractéristiques non aléatoires de la structure à grande échelle de l’Univers.

Si, en fait, nous vivons dans un univers inflationniste dans lequel les galaxies se sont développées à partir du chaos quantique, alors nous devrions nous attendre à les trouver dispersées au hasard dans l’espace. Les cosmologistes ont déjà trouvé des caractéristiques non aléatoires dans les structures à grande échelle. Mais ces observations peuvent être expliquées par des processus « post-inflationnistes », tels que l’influence de la gravité sur la croissance des amas de galaxies. Le défi est de trouver des signes de non-aléatoire qui ne peuvent être expliqués que par les événements de l’Univers très précoce. De tels signes « primordiaux » pourraient révéler de fins détails sur le déroulement de l’inflation — ou nous conduire à une image radicalement nouvelle de ce qui s’est passé pendant cette période.

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Cartographier la géométrie des galaxies

Les chercheurs peuvent tester le caractère aléatoire, par exemple, en étudiant les formes géométriques formées par des ensembles de galaxies. Trois galaxies visibles forment un triangle à travers le ciel, avec les galaxies aux coins. La question est : combien de fois trois autres galaxies choisies au hasard formeraient-elles exactement le même genre de triangle ?

Une recherche méthodique qui tente de prendre en compte toutes les formes triangulaires et de couvrir tous les points du ciel pourrait vraisemblablement révéler si les cosmologistes peuvent s’attendre à trouver des galaxies disparates plus souvent dans une configuration particulière à trois points. L’existence d’un ou plusieurs triangles « préférés » — ou une préférence pour toute autre forme géométrique, d’ailleurs — suggérerait un motif non aléatoire. Les cosmologistes devraient alors se demander : « Qu’est-ce qui pourrait provoquer une telle chose ? »

Green et Porto soutiennent que si le cadre de la structure cosmique ne provenait pas du vide quantique — s’il croissait plutôt d’un état quantique non vide ou d’un état classique dont l’origine est antérieure à l’inflation — alors ces ingrédients supplémentaires changeraient le modèle du cadre galactique initial. Ces nouveaux motifs se présenteraient comme certaines formes préférées révélatrices de la structure à grande échelle. Si les astronomes ne peuvent pas trouver la preuve que ces configurations se produisent plus souvent que le hasard ne le permettrait, alors la structure à grande échelle de l’Univers ne peut pas provenir de ces autres origines.

Des prédictions à portée de mesure par les prochaines générations de télescopes

Surtout, selon Green, il y a un réel espoir que les astronomes verront les preuves que lui et Porto ont décrites, à condition qu’elles existent. La première étape consiste à détecter de nouveaux signes de non-aléatoire, qu’ils soient causés par une inflation primordiale ou des processus ultérieurs. Pour ce faire, il faudra peut-être améliorer l’état actuel de la technique en cartographiant les positions des galaxies d’un facteur 100, selon les estimations de Green. Un objectif noble, certes, mais qui serait beaucoup plus facile à atteindre que de mesurer la taille minuscule des signaux potentiels étudiés par Doré et d’autres.

Si les observateurs parviennent à détecter le caractère non aléatoire, ils chercheront ensuite des signes le liant à l’inflation plutôt qu’aux événements ultérieurs. Cette étape est la principale difficulté, dit Green. Mais même ici, il y a de l’espoir. Les types de formes préférées que lui et Porto ont étudiés devraient être aussi visibles que d’autres en raison des effets qui se sont produits plus tard dans le temps cosmique. Pour le dire simplement, ils seraient relativement faciles à voir, pas cachés comme un petit ajustement à une plus grande valeur.

Doré convient que la recherche de signes non aléatoires offre une perspective intéressante, car les mesures nécessaires, bien que non garanties, semblent réalisables. Au cours des cinq à 10 prochaines années en particulier, les astronomes créeront des cartes sans précédent de haute fidélité des distributions des galaxies à partir de plusieurs missions et télescopes de nouvelle génération, comme la mission satellite SPHEREx de la NASA, qui devrait être lancée en 2024.

Sources : arXiv