Des perturbations primordiales appelées oscillons auraient agité l’Univers primitif

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L’inflation est un mécanisme prédit par le modèle cosmologique standard pour décrire la violente expansion subie par l’Univers primitif en sortie du Big Bang, et expliquant l’isotropie et l’homogénéité de l’univers (principe cosmologique) que l’on observe aujourd’hui. Bien que des indices de l’inflation aient été identifiés dans les cartographies du fond diffus cosmologique, les physiciens cherchent toujours des traces des ondes gravitationnelles primordiales qui seraient les témoins de cet événement. Récemment, des chercheurs ont proposé qu’au sein des champs quantiques scalaires qui imprégnaient alors le cosmos, de puissantes perturbations appelées oscillons auraient pu générer des ondes gravitationnelles primordiales observables aujourd’hui.

Selon le modèle cosmologique standard, à l’issue du Big Bang, l’Univers s’est démesurément agrandi. Cet événement est appelé l’inflation. À un moment donné dans la première fraction de seconde de l’existence de l’Univers, quelque chose s’est produit (nous ne savons pas exactement par quel mécanisme), conduisant le taux d’expansion à des niveaux supercritiques.

Après l’inflation, un autre processus a pris place pour ralentir les choses et reprendre un taux d’expansion moins chaotique. Les cosmologistes sont à peu près sûrs que cet agrandissement ultrarapide s’est produit dans l’univers primitif, car aujourd’hui, l’univers est remarquablement uniforme (homogène et isotrope) à très grande échelle.

inflation expansion univers plat
L’inflation entraîne une expansion exponentielle de l’espace, rendant spatialement plate toute région initialement courbée. Crédits : Ned Wright/Ethan Siegel

Durant l’inflation, de minuscules fluctuations quantiques dans l’espace-temps se développaient également, créant des points d’attraction gravitationnelle plus intenses que la moyenne en devenant des fluctuations macroscopiques. Ces fluctuations de densité ont conduit à l’agrégation de matériaux, formant le noyau des futures grandes structures cosmiques, avec le concours de la matière noire.

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Champs scalaires : ils dominaient l’Univers primitif

Quant à savoir ce qui a déclenché l’inflation, les physiciens ont plusieurs idées, dont l’une implique un phénomène appelé « champ scalaire », qui s’étend sur tout l’espace-temps. Un champ scalaire associe à chaque point de l’espace-temps une valeur ou une intensité, mais sans direction particulière ou privilégiée (les cartes de températures des chaînes météo sont, par exemple, des champs scalaires). Dans l’Univers moderne, les champs scalaires sont peu représentés.

Mais l’univers primitif était un endroit très différent, et les champs scalaires qui sont rares aujourd’hui l’étaient beaucoup moins à l’époque. En effet, certaines théories de l’inflation suggèrent que c’est un champ quantique scalaire, nommé inflaton, qui est à l’origine de la violente expansion de l’Univers primitif. Un champ scalaire, tout comme la surface d’un océan, peut être calme ou agité.

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De la même manière que la surface de l’eau, les champs scalaires peuvent être calmes ou agités. Cette modélisation montre des perturbations au sein d’un champ scalaire quelconque. De telles perturbations auraient pu agiter les champs quantiques de l’Univers primitif. © Andrei Linde

Selon un nouvel article publié sur le serveur de préimpression arXiv, c’est exactement ce qui a pu se passer dans l’Univers primitif. Peu de temps après l’inflation, alors que le réchauffage (période d’apparition des fermions élémentaires) commençait et que l’univers était constitué de particules, tous les champs scalaires auraient pu être perturbés.

Des oscillons à l’origine des ondes gravitationnelles primordiales ?

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Cela aurait pu générer des « oscillons », qui sont des ondes stables pouvant perdurer longtemps. Les oscillons apparaissent dans toutes sortes de situations ; par exemple, une onde progressive solitaire est une sorte d’oscillon. Lorsque les oscillons se forment dans des champs scalaires quantiques, ils génèrent également leur propre type de particules uniques.

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Ces oscillons ne participent pas vraiment directement à des interactions entre particules, mais les oscillons eux-mêmes peuvent toujours affecter l’Univers. Avec toute cette agitation, des conséquences se produisent. Dans le cas des oscillons, le chaos aurait pu générer des ondes gravitationnelles, qui sont des vibrations dans le tissu de l’espace-temps lui-même. Alors que les oscillons ondulent dans tout le cosmos, leurs énergies extrêmes déforment l’espace-temps, générant des ondes gravitationnelles.

Longtemps après la disparition des oscillons, les ondes gravitationnelles peuvent perdurer, évoluant dans tout le cosmos jusqu’à nos jours. Bien que nous ne puissions pas encore observer ces ondes gravitationnelles primordiales, les détecteurs à venir comme LISA (l’antenne spatiale de l’interféromètre laser) et BBO (l’observatoire du Big Bang) devraient pouvoir le faire.

Sources : arXiv

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