Dans le cadre du modèle « pré-Big-Bang », impliquant que le Big Bang est précédé d’une première inflation, les scientifiques théorisent que l’Univers s’est formé en deux étapes. Il se serait d’abord étendu rapidement à partir d’un amas dense de matière, puis serait entré dans une phase d’expansion plus progressive mais très énergique, appelée communément « Big Bang ». Cependant, la manière dont ces deux étapes sont liées a longtemps été incomprise par les chercheurs. Dans le cadre d’une nouvelle étude portant sur cette période de l’Univers et impliquant cette théorie initiale, des physiciens pensent enfin avoir résolu ce mystère resté sans réponse depuis des décennies, et suggèrent un moyen d’expliquer la liaison entre ces deux époques primitives.
Au cours de la première période primitive, l’Univers serait passé d’un petit amas dense de matière à près d’un octillion de fois (x 1048) sa taille en moins d’un billionième de seconde (10-12 s). Dans le cadre du modèle pré-Big-Bang, cette période d’inflation rapide a été suivie d’une phase d’expansion plus progressive, mais violente, le Big Bang.
Durant le Big Bang, une « boule » de matière extrêmement chaude composée de particules fondamentales (des protons, des neutrons et des électrons) s’est alors développée et refroidie pour former les premiers atomes, les étoiles et les galaxies.
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La théorie standard du Big Bang, qui décrit également l’inflation cosmique, reste l’explication la plus largement soutenue concernant les débuts de notre univers. Cependant, les scientifiques sont encore perplexes quant à la manière dont ces périodes d’expansion totalement différentes sont imbriquées.
Pour résoudre ce mystère, une équipe de chercheurs du Kenyon College, du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et de l’Université de Leiden aux Pays-Bas, a simulé la transition critique entre l’inflation cosmique et le Big Bang dans le cadre d’un modèle pré-Big-Bang ; une période appelée « réchauffage ».
« La période de réchauffage post-inflation définit les conditions du Big Bang et, dans un sens, place le ‘Bang’ dans le Big Bang », a déclaré dans un communiqué David Kaiser, professeur de physique au MIT. « C’est une période de transfert, où l’enfer se déchaîne et où la matière se comporte de façon complexe ».
Quand l’Univers s’est développé en une « fraction de seconde » pendant l’inflation cosmique, toute la matière existante s’est étalée dans toutes les directions, laissant dans l’espace un endroit vide et froid, dépourvu de la « soupe primordiale » (amas dense et chaud de particules) nécessaire pour entamer le Big Bang. Pendant la période de réchauffage, on pense l’énergie ayant propulsé l’inflation s’est décomposée en particules, a déclaré Rachel Nguyen, doctorante en physique à l’Université de l’Illinois et auteure principale de l’étude.
« Une fois que ces particules sont produites, elles rebondissent et se cognent les unes aux autres, transférant l’inertie et l’énergie », a déclaré Nguyen. « Et c’est ce qui thermise et réchauffe l’univers pour définir les conditions initiales du Big Bang ».
Dans leur modèle, Nguyen et ses collègues ont simulé le comportement d’une formes exotique de matière appelée inflaton. Les scientifiques pensent que le champ scalaire de cette matière, qui serait de nature similaire à celui du boson de Higgs, est responsable de la création du champ d’énergie ayant entraîné l’inflation cosmique.
Leur modèle a montré que, dans des conditions adéquates, l’énergie du champ scalaire hypothétique pouvait être redistribuée efficacement pour créer la diversité des particules nécessaires au réchauffage de l’Univers primitif. Les résultats de l’étude sont consultables dans la revue Physical Review Letters.
Gravité : elle réagirait différemment à de très hautes énergies
« Lorsque nous étudions l’univers primitif, nous réalisons une expérience avec des particules à très hautes températures », a déclaré Tom Giblin, professeur agrégé de physique au Kenyon College de l’Ohio et co-auteur de l’étude. « La transition de la période inflationniste froide à la période chaude devrait contenir des preuves essentielles sur les particules qui existent réellement à ces énergies extrêmement élevées ».
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Une question fondamentale qui afflige encore les physiciens est de savoir comment la gravité se comporte aux énergies extrêmes présentes lors de l’inflation. La théorie de relativité générale d’Albert Einstein définit que toute matière est affectée par la gravité de la même manière, où la force de gravité est constante, quelle que soit l’énergie de la particule. Cependant, en raison de propriétés étranges de la mécanique quantique, les scientifiques pensent aujourd’hui qu’à de très hautes énergies, la matière réagit différemment à la gravité.
L’équipe a incorporé cette hypothèse dans son modèle en modifiant la force d’interaction des particules avec la gravité. Ils ont alors découvert que plus ils augmentaient la force de gravité, plus l’inflaton transférait efficacement l’énergie pour produire le champ de particules de matière chaudes du Big Bang.
Des indices supplémentaires nécessaires pour étayer le modèle
« L’univers contient tant de secrets, encodés de manière très complexe », a déclaré Giblin. « C’est notre travail d’étudier la nature de la réalité en proposant un ‘dispositif de décodage’ – un moyen d’extraire des informations de l’univers. Pour cela, nous utilisons des simulations pour prédire ce à quoi l’univers devrait ressembler, afin de pouvoir réellement commencer à le décoder. Cette période de réchauffage devrait avoir laissé une empreinte quelque part. Nous devons juste la trouver ».
Mais identifier cette empreinte pourrait s’avérer être une tâche très complexe. Notre premier aperçu de l’Univers est une « bulle de radiations » laissée quelques centaines de milliers d’années après le Big Bang : le fond diffus cosmologique (CMB). Pourtant, le CMB n’évoque que l’état de l’univers pendant les premières secondes critiques de sa naissance. Les physiciens espèrent donc que de futures observations des ondes gravitationnelles fourniront les indices supplémentaires nécessaires à étayer leur modèle.
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