Et si l’Univers n’avait pas de fin ?

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Et si l’Univers n’avait pas de fin ?
Et si l’Univers n’avait pas de fin ?

Africa-PressMali. L’histoire habituelle de l’Univers a un début, un milieu et une fin.

Elle a commencé avec le Big Bang, il y a 13,8 milliards d’années, lorsque l’Univers était minuscule, chaud et dense. En moins d’un milliardième de milliardième de seconde, ce petit point d’univers s’est agrandi pour atteindre plus d’un milliard de milliards de fois sa taille initiale, grâce à un processus appelé “inflation cosmologique”.

Vient ensuite la “sortie gracieuse”, lorsque l’inflation s’arrête. L’univers a continué à s’étendre et à se refroidir, mais à une fraction du taux initial. Pendant les 380 000 années qui ont suivi, l’Univers était si dense que même la lumière ne pouvait le traverser – le cosmos était un plasma opaque et surchauffé de particules dispersées.

Lorsque les choses se sont finalement refroidies suffisamment pour que les premiers atomes d’hydrogène se forment, l’Univers est rapidement devenu transparent. Le rayonnement s’est propagé dans toutes les directions et l’Univers était en passe de devenir l’entité grumeleuse que nous voyons aujourd’hui, avec de vastes étendues d’espace vide ponctuées d’amas de particules, de poussière, d’étoiles, de trous noirs, de galaxies, de rayonnement et d’autres formes de matière et d’énergie.

Selon certains modèles, ces morceaux de matière finiront par s’éloigner tellement les uns des autres qu’ils disparaîtront lentement. L’Univers deviendra une soupe froide et uniforme de photons isolés.

Ce n’est pas une fin particulièrement dramatique, bien qu’elle ait une finalité satisfaisante.

Mais si le Big Bang n’était pas vraiment le point de départ de tout ?

Peut-être le Big Bang était-il plutôt un “Big Bounce”(grand rebond), un point tournant dans un cycle continu de contraction et d’expansion. Il pourrait aussi s’agir d’un point de réflexion, avec une image miroir de notre univers s’étendant de l’autre côté, où l’antimatière remplace la matière et où le temps lui-même s’écoule à rebours. (Il pourrait même y avoir un “miroir inversé) qui réfléchit à ce à quoi ressemble la vie de ce côté).

Ou encore, le Big Bang pourrait être un point de transition dans un univers qui a toujours été – et sera toujours – en expansion. Toutes ces théories se situent en dehors du courant dominant de la cosmologie, mais toutes sont soutenues par des scientifiques influents.

Le nombre croissant de ces théories concurrentes suggère qu’il est peut-être temps d’abandonner l’idée que le Big Bang a marqué le début de l’espace et du temps. Et, en fait, qu’il pourrait même avoir une fin.

De nombreuses alternatives concurrentes au Big Bang découlent d’une profonde insatisfaction à l’égard de l’idée d’inflation cosmologique.

“Je dois avouer que je n’ai jamais aimé l’inflation depuis le début”, déclare Neil Turok, l’ancien directeur de l’Institut Perimeter pour la physique théorique à Waterloo, au Canada.

“Le paradigme inflationniste a échoué”, ajoute Paul Steinhardt, professeur de sciences Albert Einstein à l’université de Princeton, et partisan d’un modèle de “Big Bounce”.

“J’ai toujours considéré l’inflation comme une théorie très artificielle”, déclare Roger Penrose, professeur émérite de mathématiques Rouse Ball à l’université d’Oxford. “La principale raison pour laquelle elle n’est pas morte à la naissance est qu’elle était la seule chose à laquelle les gens pouvaient penser pour expliquer ce qu’ils appellent “l’invariance d’échelle des fluctuations de température du fond diffus cosmologique”.”

Le fond diffus cosmologique (ou “CMB”) est un facteur fondamental dans tous les modèles de l’Univers depuis sa première observation en 1965. Il s’agit d’un faible rayonnement ambiant que l’on trouve partout dans l’Univers observable et qui remonte à l’instant où l’Univers est devenu transparent au rayonnement.

Le CMB est une source majeure d’informations sur l’aspect de l’Univers primitif. Il constitue également un mystère fascinant pour les physiciens. Dans toutes les directions où les scientifiques orientent un radiotélescope, le CMB a la même apparence, même dans des régions qui n’auraient apparemment jamais pu interagir les unes avec les autres à un moment quelconque de l’histoire d’un univers vieux de 13,8 milliards d’années.

“La température du CMB est la même sur les côtés opposés du ciel et ces parties du ciel n’auraient jamais été en contact causal”, explique Katie Mack, cosmologiste à l’université d’État de Caroline du Nord. “Quelque chose a dû relier ces deux régions de l’Univers dans le passé. Quelque chose a dû dire à cette partie du ciel d’avoir la même température que cette autre partie du ciel.”

En l’absence d’un mécanisme permettant d’uniformiser la température dans l’Univers observable, les scientifiques s’attendraient à voir des variations beaucoup plus importantes dans les différentes régions.

L’inflation offre un moyen de résoudre ce “problème d’homogénéité”. Une période d’expansion démente a étiré l’Univers si rapidement que la quasi-totalité de celui-ci s’est retrouvée bien au-delà de la région que nous pouvons observer et avec laquelle nous pouvons interagir. Notre univers observable s’est développé à partir d’une minuscule région homogène au sein de ce chaos primordial, produisant le CMB uniforme. D’autres régions situées au-delà de ce que nous pouvons observer pourraient avoir un aspect très différent.

“L’inflation semble être la chose qui a suffisamment de soutien de la part des données pour que nous puissions la prendre par défaut”, dit Mack. “C’est celle que j’enseigne dans mes cours. Mais je dis toujours que nous ne sommes pas sûrs que cela s’est produit. Mais elle semble correspondre assez bien aux données, et c’est ce que la plupart des gens diraient être le plus probable.”

Mais la théorie a toujours présenté des lacunes. Notamment, il n’existe pas de mécanisme définitif pour déclencher l’expansion inflationniste, ni d’explication testable de la façon dont la fin gracieuse pourrait se produire. L’une des idées avancées par les partisans de l’inflation est que les particules théoriques ont constitué quelque chose appelé “champ d’inflation” qui a entraîné l’inflation et s’est ensuite décomposé en particules que nous voyons aujourd’hui.

Mais même avec de telles modifications, l’inflation fait des prédictions qui n’ont, du moins jusqu’à présent, pas été confirmées. Selon la théorie, l’espace-temps devrait être déformé par les ondes gravitationnelles primordiales qui ont ricoché dans l’Univers lors du Big Bang. Mais si certains types d’ondes gravitationnelles ont été détectés, aucune de ces ondes primordiales n’a encore été trouvée pour soutenir la théorie.

La physique quantique oblige également les théories de l’inflation à s’aventurer sur un terrain très accidenté. De rares fluctuations quantiques devraient amener l’inflation à fragmenter l’espace en un nombre infini de parcelles aux propriétés très différentes – un “multivers” dans lequel tous les résultats imaginables se produisent.

“La théorie est complètement indécise”, déclare Steinhardt. “Elle peut seulement dire que l’Univers observable pourrait être comme ceci ou cela ou toute autre possibilité que vous pouvez imaginer, selon l’endroit où nous nous trouvons dans le multivers. Rien n’est exclu de ce qui est physiquement concevable.”

Steinhardt, qui a été l’un des premiers architectes de la théorie inflationniste, a fini par en avoir assez du manque de prédictivité et de l’impossibilité de la tester.

“Avons-nous vraiment besoin d’imaginer qu’il existe une infinité d’univers désordonnés que nous n’avons jamais vus et que nous ne verrons jamais pour expliquer le seul Univers simple et remarquablement lisse que nous observons réellement ?” demande-t-il. “Je dis non. Nous devons chercher une meilleure idée.”

Le problème pourrait être lié au Big Bang lui-même, et à l’idée qu’il y a eu un commencement de l’espace et du temps.

La théorie du “Big Bounce” est en accord avec l’image du Big Bang d’un univers chaud et dense, il y a 13,8 milliards d’années, qui a commencé à s’étendre et à se refroidir. Mais plutôt que d’être le début de l’espace et du temps, il s’agissait d’un moment de transition à partir d’une phase antérieure au cours de laquelle l’espace se contractait.

Selon Steinhardt, avec un rebond plutôt qu’un bang, les parties distantes du cosmos auraient eu tout le temps d’interagir les unes avec les autres et de former un seul univers lisse dans lequel les sources de rayonnement CMB auraient eu la possibilité de s’équilibrer.

En fait, il est possible que le temps existe depuis toujours.

“Et si un rebond s’est produit dans notre passé, pourquoi ne pourrait-il pas y en avoir eu plusieurs ?” déclare Steinhardt. “Dans ce cas, il est plausible qu’il y en ait un dans notre futur. Notre univers en expansion pourrait commencer à se contracter, revenant à cet état dense et recommençant le cycle des rebonds.”

Steinhardt et Turok ont travaillé ensemble sur certaines des premières versions du modèle du Big Bounce, dans lequel l’Univers s’est rétréci à une taille si minuscule que la physique quantique a pris le relais de la physique classique, laissant les prédictions incertaines. Mais plus récemment, une autre collaboratrice de Steinhardt, Anna Ijjas, a développé un modèle dans lequel l’Univers ne devient jamais si petit que la physique quantique domine.

“C’est une idée plutôt prosaïque et conservatrice décrite à tout moment par des équations classiques”, explique Steinhardt. “L’inflation dit qu’il y a un multivers, qu’il y a un nombre infini de façons dont l’Univers pourrait se révéler, et que nous vivons simplement dans celui qui est lisse et plat. C’est possible mais peu probable. Ce modèle du Big Bounce dit que c’est ainsi que l’Univers doit être.”

Neil Turok a également exploré une autre piste pour une alternative plus simple à la théorie inflationniste, l’”Univers miroir”. Il prédit qu’un autre univers dominé par l’antimatière, mais régi par les mêmes lois physiques que le nôtre, est en expansion de l’autre côté du Big Bang – une sorte d’”anti-univers”, si vous voulez.

“Je retiens une chose des observations de ces 30 dernières années, c’est que l’Univers est incroyablement simple”, dit-il. “À grande échelle, il n’est pas chaotique. Il n’est pas aléatoire. Il est incroyablement ordonné et régulier et nécessite très peu de nombres pour tout décrire.”

Dans cette optique, Turok ne voit pas de place pour un multivers, des dimensions supérieures ou de nouvelles particules pour expliquer ce que l’on peut voir lorsque l’on regarde le ciel. L’univers miroir offre tout cela – et pourrait également résoudre l’un des grands mystères de l’Univers.

Si l’on additionne toutes les masses connues d’une galaxie – étoiles, nébuleuses, trous noirs, etc. – le total ne crée pas une gravité suffisante pour expliquer le mouvement au sein des galaxies et entre elles. Le reste semble être constitué de quelque chose que nous ne pouvons pas voir actuellement – la matière noire. Cette matière mystérieuse représente environ 85 % de la matière de l’univers.

Le modèle de l’univers miroir prédit que le Big Bang a produit en abondance une particule connue sous le nom de “neutrinos droitiers”. Bien que les physiciens des particules n’aient pas encore vu directement l’une de ces particules, ils sont pratiquement sûrs qu’elles existent. Et ce sont elles qui constituent la matière noire, selon les partisans de la théorie de l’univers miroir.

“C’est la seule particule de cette liste (des particules du modèle standard) qui possède les deux propriétés requises, à savoir que nous ne l’avons pas encore observée directement et qu’elle pourrait être stable”, déclare Latham Boyle, un autre grand partisan de la théorie de l’univers miroir et collègue de Turok à l’Institut Perimeter.

L’alternative la plus stimulante au Big Bang et à l’inflation est peut-être la théorie de la “Cosmologie cyclique conforme” (CCC) de Roger Penrose. Comme le Big Bang, elle implique un univers qui pourrait avoir existé depuis toujours. Mais dans la CCC, il ne passe jamais par une période de contraction – il ne fait que s’étendre.

“Mon point de vue est que le Big Bang n’était pas le commencement”, déclare Penrose. “L’ensemble de ce que nous connaissons aujourd’hui, toute l’histoire de l’Univers, est ce que j’appelle un “éon” dans une succession d’éons”.

Le modèle de Penrose prédit qu’une grande partie de la matière de l’Univers sera finalement entraînée dans des trous noirs ultra-massifs. À mesure que l’Univers se dilate et se refroidit jusqu’à un niveau proche du zéro absolu, ces trous noirs vont “bouillir” par un phénomène appelé rayonnement de Hawking.

“Il faut penser en termes de quelque chose comme un googol d’années, ce qui signifie un nombre un avec 100 zéros”, explique Penrose. “C’est le nombre d’années, ou plus, qu’il faut pour que les très gros objets finissent par s’évaporer. Et on se retrouve alors avec un univers réellement dominé par les photons (particules de lumière).”

Selon Penrose, à ce moment-là, l’Univers commence à ressembler à peu près à ce qu’il était à ses débuts, préparant le terrain pour le début d’un autre éon.

L’une des prédictions du CCC est qu’il pourrait y avoir un enregistrement de l’éon précédent dans le rayonnement de fond cosmique micro-ondes qui a inspiré le modèle d’inflation. Lorsque des trous noirs hypermassifs entrent en collision, l’impact crée une énorme libération d’énergie sous la forme d’ondes gravitationnelles.

Lorsque les trous noirs géants finissent par s’évaporer, ils libèrent une énorme quantité d’énergie sous la forme de photons de basse fréquence. Selon Penrose, ces deux phénomènes sont si puissants qu’ils peuvent “éclater de l’autre côté” d’une transition d’un éon à l’autre, chacun laissant son propre type de “signal” intégré dans le CMB comme un écho du passé.

Penrose appelle les motifs laissés par les trous noirs qui s’évaporent des “points de Hawking”.

Pendant les 380 000 premières années de l’éon actuel, ces points n’auraient été rien de plus que de minuscules points dans le cosmos, mais au fur et à mesure de l’expansion de l’Univers, ils apparaîtraient comme des “taches” dans le ciel.

Penrose a travaillé avec des cosmologistes polonais, coréens et arméniens pour voir si ces motifs peuvent effectivement être trouvés en comparant les mesures du CMB avec des milliers de motifs aléatoires.

“La conclusion à laquelle nous sommes arrivés est que nous voyons ces taches dans le ciel avec un taux de confiance de 99,98 %”, déclare Penrose. Le monde de la physique est toutefois resté largement sceptique quant à ces résultats jusqu’à présent et les cosmologistes ont manifesté un intérêt limité pour tenter de reproduire l’analyse de Penrose.

Il est peu probable que nous soyons un jour en mesure d’observer directement ce qui s’est passé dans les premiers instants après le Big Bang, et encore moins les instants précédents. Le plasma opaque et surchauffé qui existait dans les premiers instants obscurcira probablement à jamais notre vue.

Mais il existe d’autres phénomènes potentiellement observables, tels que les ondes gravitationnelles primordiales, les trous noirs primordiaux, les neutrinos droits, qui pourraient nous fournir des indices sur les théories correctes concernant notre univers.

“Au fur et à mesure que nous développons de nouvelles théories et de nouveaux modèles de cosmologie, ceux-ci nous donneront d’autres prédictions intéressantes que nous pourrons rechercher”, déclare Mack.

“L’espoir n’est pas nécessairement de voir le commencement plus directement, mais que peut-être, par un moyen détourné, nous comprenions mieux la structure de la physique elle-même.”

D’ici là, l’histoire de notre univers, ses débuts et sa fin éventuelle, continueront à être débattus.

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