Au début, il y avait une minuscule boule de matière infiniment dense. Puis, tout a éclaté, donnant naissance aux atomes, molécules, étoiles et galaxies que nous voyons aujourd’hui.
Ou du moins, c’est ce que nous disent les physiciens depuis plusieurs décennies.
Mais de nouvelles recherches en physique théorique ont récemment révélé une fenêtre possible sur l’univers très précoce, montrant qu’il n’est peut-être pas « très précoce » après tout. Au lieu de cela, ce n’est peut-être que la dernière itération d’un cycle bang-bounce qui dure depuis well eh bien, au moins une fois, et peut-être pour toujours.
Bien sûr, avant que les physiciens ne décident de rejeter le Big Bang au profit d’un cycle bang-rebond, ces prédictions théoriques devront survivre à l’assaut des tests d’observation.
Cosmologies rebondissantes
Les scientifiques ont une très bonne image de l’univers très ancien, quelque chose que nous connaissons et aimons comme la théorie du Big Bang. Dans ce modèle, il y a longtemps, l’univers était beaucoup plus petit, beaucoup plus chaud et beaucoup plus dense qu’il ne l’est aujourd’hui. Dans cet enfer primitif il y a 13,8 milliards d’années, tous les éléments qui font de nous ce que nous sommes se sont formés en l’espace d’une douzaine de minutes environ.
Encore plus tôt, cette pensée va, à un moment donné, notre univers entier – toutes les étoiles, toutes les galaxies, tout le tout — avait la taille d’une pêche et avait une température de plus d’un quadrillion de degrés.
Étonnamment, cette histoire fantastique résiste à toutes les observations actuelles. Les astronomes ont tout fait, de l’observation des restes de rayonnement électromagnétique du jeune univers à la mesure de l’abondance des éléments les plus légers, et ont constaté qu’ils s’alignaient tous sur ce que prédit le Big Bang. Pour autant que nous puissions le dire, c’est un portrait précis de notre univers primitif.
Mais aussi bon soit-il, nous savons que l’image du Big Bang n’est pas complète — il manque une pièce de puzzle, et cette pièce est les premiers moments de l’univers lui-même.
C’est un gros morceau.
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La conflagration
Le problème est que la physique que nous utilisons pour comprendre l’univers primitif (un méli-mélo merveilleusement compliqué de relativité générale et de physique des particules à haute énergie) ne peut nous emmener que si loin avant de se décomposer. Alors que nous essayons de pousser de plus en plus profondément dans les premiers moments de notre cosmos, les mathématiques deviennent de plus en plus difficiles à résoudre, jusqu’au point où elles qu s’arrêtent.
Le signe principal que nous avons un terrain à explorer est la présence d’une « singularité », ou d’un point de densité infinie, au début du Big Bang. Pris à la valeur nominale, cela nous dit qu’à un moment donné, l’univers a été entassé en un point infiniment minuscule, infiniment dense. C’est évidemment absurde, et ce que cela nous dit vraiment, c’est que nous avons besoin d’une nouvelle physique pour résoudre ce problème — notre boîte à outils actuelle n’est tout simplement pas assez bonne.
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Pour sauver la situation, nous avons besoin d’une nouvelle physique, capable de gérer la gravité et les autres forces, combinées, à des énergies ultra-élevées. Et c’est exactement ce que prétend être la théorie des cordes: un modèle de physique capable de gérer la gravité et les autres forces, combinées, à des énergies ultra-élevées. Ce qui signifie que la théorie des cordes prétend pouvoir expliquer les premiers moments de l’univers.
L’une des premières notions de théorie des cordes est l’univers « ekpyrotique », qui vient du mot grec pour « conflagration », ou feu. Dans ce scénario, ce que nous appelons le Big Bang a été déclenché par quelque chose d’autre qui s’est passé avant lui — le Big Bang n’était pas un début, mais une partie d’un processus plus vaste.
L’extension du concept ekpyrotique a conduit à une théorie, encore une fois motivée par la théorie des cordes, appelée cosmologie cyclique. Je suppose que, techniquement, l’idée que l’univers se répète continuellement a des milliers d’années et est antérieure à la physique, mais la théorie des cordes a donné à l’idée une base mathématique solide. L’univers cyclique se déroule exactement comme vous pouvez l’imaginer, rebondissant continuellement entre big bangs et gros craquements, potentiellement pour l’éternité dans le temps et pour l’éternité dans le futur.
Avant le début
Aussi cool que cela puisse paraître, les premières versions du modèle cyclique avaient du mal à faire correspondre les observations — ce qui est un problème majeur lorsque vous essayez de faire de la science et pas seulement de raconter des histoires autour du feu de camp.
Le principal obstacle était d’être d’accord avec nos observations du fond cosmologique des micro-ondes, la lumière fossile restante de l’époque où l’univers n’avait que 380 000 ans. Bien que nous ne puissions pas voir directement au-delà de ce mur de lumière, si vous commencez théoriquement à bricoler la physique du cosmos infantile, vous affectez ce modèle de lumière rémanente.
Et ainsi, il semblait qu’un univers cyclique était une idée soignée mais incorrecte.
Mais la torche ekpyrotique a été maintenue allumée au fil des ans, et un article publié en janvier dans la base de données arXiv a exploré les rides des mathématiques et découvert certaines opportunités précédemment manquées. Les physiciens Robert Brandenberger et Ziwei Wang de l’Université McGill au Canada ont découvert qu’au moment du « rebond », lorsque notre univers se rétrécit à un point incroyablement petit et revient à un état de Big Bang, il est possible de tout aligner pour obtenir le résultat testé par observation approprié.
En d’autres termes, la physique compliquée (et, certes, mal comprise) de cette époque critique peut en effet permettre une vision radicalement révisée de notre temps et de notre place dans le cosmos.
Mais pour tester pleinement ce modèle, il faudra attendre une nouvelle génération d’expériences de cosmologie, alors attendons de sortir le champagne ekpyrotique.
Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et au Flatiron Institute, animateur de Ask a Spaceman et de Space Radio, et auteur de Your Place in the Universe.
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Initialement publié sur Live Science.
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