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Qu’y avait-il avant le Big Bang ?

quoi avant big bang couv
| Shutterstock

Le modèle cosmologique standard décrit le Big Bang comme une période extrêmement dense et chaude qu’aurait traversée l’Univers il y a environ 13.8 milliards d’années, pour ensuite déboucher sur le processus d’inflation et d’expansion que l’on observe aujourd’hui. Si pendant longtemps les mathématiques de la relativité générale ont écarté toute possibilité d’un avant Big Bang, depuis plusieurs années les cosmologistes savent que la théorie d’Einstein est incomplète et développent des modèles théoriques proposant des hypothèses concernant la physique pré-Big Bang.

La première chose à comprendre est ce qu’est réellement le Big Bang. « Le Big Bang est un moment dans le temps, pas un point dans l’espace », déclare Sean Carroll, physicien théoricien au California Institute of Technology. Ainsi, il est possible que l’univers du Big Bang soit minuscule ou infiniment grand, a déclaré Carroll, car il n’y a aucun moyen de revenir dans le temps à ce que nous ne pouvons même pas voir aujourd’hui. Tout ce que nous savons vraiment, c’est qu’il était très, très dense et que, très vite, il est devenu moins dense.

« Peu importe où vous vous trouvez dans l’univers, si vous remontez à 14 milliards d’années, vous arrivez à ce point où il faisait extrêmement chaud, dense et qui a enchaîné sur une expansion rapide », ajoute Carroll. Personne ne sait exactement ce qui se passait dans l’Univers jusqu’à 1 seconde après le Big Bang, lorsque l’univers s’est suffisamment refroidi pour que les protons et les neutrons entrent en collision et se lient.

De nombreux cosmologistes pensent que l’Univers est passé par un processus d’expansion exponentielle, appelé inflation, au cours de cette première seconde. Cela aurait lissé le tissu de l’espace-temps et pourrait expliquer pourquoi la matière est si uniformément répartie dans l’Univers aujourd’hui.

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La nature de l’Univers avant le Big Bang

Il est possible qu’avant le Big Bang, l’Univers fût une étendue infinie d’un matériau ultra-chaud et dense, persistant dans un état stable jusqu’à ce que, pour une raison quelconque, le Big Bang se produise. Cet univers extradense a peut-être été régi par la mécanique quantique, selon Carroll. Le Big Bang aurait donc représenté le moment où la physique classique a pris le relais comme le principal moteur de l’évolution de l’Univers.

Pour Stephen Hawking, ce moment est sans importance : avant le Big Bang, les événements sont incommensurables, et donc indéfinis. Hawking a appelé cela la « proposition sans limites » : le temps et l’espace sont finis, mais ils n’ont pas de frontières, de points de départ ou de fin, de la même manière que la planète Terre est finie, mais n’a pas de bord. « Les événements avant le Big Bang n’ayant pas de conséquences observationnelles, autant les écarter de la théorie et dire que le temps a commencé au Big Bang », déclarait Hawking en 2018.

Ou peut-être qu’il y avait autre chose avant le Big Bang méritant l’attention des physiciens. Une hypothèse est que le Big Bang n’est pas le début du temps, mais plutôt un moment de symétrie. Dans cette idée, avant le Big Bang, il y avait un autre univers, identique à celui-ci, mais avec une entropie croissante vers le passé plutôt que vers le futur.

L’entropie croissante, ou le « désordre » croissant dans un système, est essentiellement la flèche du temps, donc dans cet univers miroir, le temps serait à l’opposé du temps dans l’univers moderne et notre univers serait dans le passé. Les partisans de cette théorie suggèrent également que d’autres propriétés de l’Univers seraient inversées dans cet univers miroir. Par exemple, le physicien David Sloan, physicien à l’Université d’Oxford, suggère que les asymétries dans les molécules et les ions (appelées chiralités) seraient dans des orientations opposées à ce qu’elles sont dans notre univers.

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Du Big Bounce au multivers

Une théorie connexe soutient que le Big Bang n’était pas le début de tout, mais plutôt un moment dans le temps où l’Univers est passé d’une période de contraction à une période d’expansion. Cette notion de « Big Bounce » suggère qu’il pourrait y avoir des Big Bangs infinis alors que l’Univers se dilate, se contracte et se développe à nouveau. Le problème avec ces idées, d’après Carroll, est qu’il n’y a aucune explication sur le pourquoi ou le comment un univers en expansion se contracterait et reviendrait à un état de faible entropie.

univers branes bulk cosmologie branaire
Selon les théories branaires, notre univers est contenu dans une brane flottant aux côtés d’autres branes dans le « bulk » d’un super-univers à plus de 4 dimensions. Crédits : Princeton University

Pour les théories cosmologiques branaires, issues généralement de la théorie des cordes, le Big Bang, puis notre univers, seraient apparus suite à une collision branaire dans le bulk d’un univers à plus de quatre dimensions. Ce modèle d’univers, appelé univers ekpyrotique, implique comme hypothèse naturelle l’existence d’un multivers. D’autres théories comme l’inflation éternelle suggèrent que des bulles d’univers seraient créées dans un univers plus grand en inflation infinie.

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Carroll et sa collègue Jennifer Chen ont leur propre vision d’avant le Big Bang. En 2004, les physiciens ont suggéré que, peut-être, l’univers tel que nous le connaissons est la progéniture d’un univers parent dont un peu d’espace-temps s’est détaché. « C’est comme un noyau radioactif en décomposition », explique Carroll : quand un noyau se désintègre, il émet une particule alpha ou bêta.

L’univers parent pourrait faire la même chose, sauf qu’au lieu de particules, il émet des « univers enfants », peut-être à l’infini. Cette génération de bébés univers se produirait par l’intermédiaire d’une fluctuation quantique dans l’univers parent. Ces univers nouveaux-nés sont « des univers littéralement parallèles », et n’interagissent pas ou ne s’influencent pas les uns les autres.

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