{"id":13295,"date":"2024-05-06T12:00:00","date_gmt":"2024-05-06T12:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.africa-press.net\/sao-tome-e-principe\/politique\/la-premiere-seconde-de-lunivers-le-moment-ou-linflation-cosmique-impose-sa-loi"},"modified":"2024-05-07T00:14:24","modified_gmt":"2024-05-07T00:14:24","slug":"la-premiere-seconde-de-lunivers-le-moment-ou-linflation-cosmique-impose-sa-loi","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.africa-press.net\/sao-tome-e-principe\/toutes-les-actualites\/la-premiere-seconde-de-lunivers-le-moment-ou-linflation-cosmique-impose-sa-loi","title":{"rendered":"La premi\u00e8re seconde de l\u2019Univers : le moment o\u00f9 l\u2019inflation cosmique impose sa loi"},"content":{"rendered":"

Africa-Press – S\u00e3o Tom\u00e9 e Pr\u00edncipe. <\/strong><\/span>10-35 seconde: l\u2019inflation cosmique impose sa loi. L\u2019Univers e\u0301mergeait tout juste du Big Bang lorsqu\u2019un phe\u0301nome\u0300ne d\u2019une ampleur inoui\u0308e l\u2019a bouleverse\u0301 en profondeur: l\u2019inflation cosmique. Elle s\u2019est de\u0301clenche\u0301e environ 10-35 seconde apre\u0300s le Big Bang. La taille de l\u2019Univers observable, alors bien plus petite que le noyau d\u2019un atome, s\u2019est trouve\u0301e tout a\u0300 coup multiplie\u0301e par un facteur 1026, au moins. Pour se repre\u0301senter un tel e\u0301tirement, il faut imaginer le rayon d\u2019un atome, 10-10 me\u0300tre, mesurant tout a\u0300 coup une anne\u0301e-lumie\u0300re, soit le quart de la distance qui nous se\u0301pare de l\u2019e\u0301toile la plus proche. Et tout cela en 10-32 seconde !<\/p>\n

C\u2019est beaucoup plus rapide que la vitesse de la lumie\u0300re. Mais les lois de la physique ne sont pas viole\u0301es, car seules la matie\u0300re et l\u2019e\u0301nergie ne peuvent pas de\u0301passer la vitesse de la lumie\u0300re. Tandis qu\u2019au cours de l\u2019inflation, c\u2019est la trame me\u0302me de l\u2019espace et du temps qui s\u2019est dilate\u0301e follement… Mais quelle mouche avait donc pu piquer les Ame\u0301ricains Alan Guth et Paul Steinhardt et les Russes Andrei\u0308 Linde et Alexei\u0308 Starobinski pour e\u0301mettre une telle hypothe\u0300se, a\u0300 l\u2019ore\u0301e des anne\u0301es 1980 ?<\/p>\n

\u201cHistoriquement, l\u2019inflation est cense\u0301e re\u0301soudre les proble\u0300mes pose\u0301s par la the\u0301orie du Big Bang qui s\u2019impose dans les anne\u0301es 1960, explique Vincent Vennin, physicien a\u0300 l\u2019E\u0301cole normale supe\u0301rieure de Paris. Elle re\u0301pondait notamment a\u0300 deux questions: pourquoi l\u2019Univers est-il plat ? Et pourquoi est-il homoge\u0300ne, ce que l\u2019on appelle le proble\u0300me de l\u2019horizon. Depuis les anne\u0301es 1980, d\u2019autres explications ont e\u0301merge\u0301 pour les re\u0301soudre, mais je conside\u0300re, comme la majorite\u0301 des cosmologistes, que l\u2019inflation demeure la meilleure. \u201d<\/p>\n

Trouver le me\u0301canisme re\u0301pulsif qui contrecarre la gravitation<\/b><\/p>\n

Pour comprendre comment l\u2019inflation est a\u0300 la man\u0153uvre, prenons l\u2019exemple de l\u2019homoge\u0301ne\u0301ite\u0301 que l\u2019on peut re\u0301sumer ainsi: l\u2019Univers observable est aujourd\u2019hui si vaste \u2013 son rayon est d\u2019environ 46 milliards d\u2019anne\u0301es-lumie\u0300re \u2013 qu\u2019il comporte des zones trop e\u0301loigne\u0301es les unes des autres pour que la lumie\u0300re ait eu le temps de voyager entre elles depuis le Big Bang. Autrement dit, elles n\u2019ont jamais pu e\u0301changer d\u2019informations ni quoi que ce soit, puisque rien ne va plus vite que la lumie\u0300re.<\/p>\n

\u201cElles ne devraient donc pas se ressembler, souligne Vincent Vennin. Car il n\u2019y a aucune raison que l\u2019Univers soit homoge\u0300ne sur des distances plus grandes que la distance maximale parcourue par la lumie\u0300re. Or, les observations de l\u2019Univers lointain re\u0301alise\u0301es dans les anne\u0301es 1970 ont montre\u0301 au contraire qu\u2019il e\u0301tait tre\u0300s homoge\u0300ne, avec partout la me\u0302me densite\u0301 de matie\u0300re, d\u2019e\u0301nergie, le me\u0302me nombre de galaxies, avec les me\u0302mes proprie\u0301te\u0301s, etc. D\u2019ou\u0300 l\u2019ide\u0301e de cette phase d\u2019expansion tre\u0300s acce\u0301le\u0301re\u0301e, l\u2019inflation, qui, en dilatant l\u2019Univers bien plus vite que la vitesse de la lumie\u0300re, a permis que des re\u0301gions autrefois en contact soient de\u0301sormais tre\u0300s e\u0301loigne\u0301es les unes des autres.\u201d<\/p>\n

Cette hypothe\u0300se drastique ne fait gue\u0300re l\u2019unanimite\u0301 a\u0300 l\u2019e\u0301poque, car si elle a le me\u0301rite de re\u0301soudre l\u2019intriguant proble\u0300me de l\u2019horizon, elle en pose un autre: l\u2019Univers a\u0300 grande e\u0301chelle est re\u0301gi par la force de gravite\u0301. Elle est attractive. On ne s\u2019attendrait donc pas a\u0300 ce que l\u2019Univers se dilate e\u0301perdument… Quel me\u0301canisme re\u0301pulsif pouvait ainsi contrecarrer la gravitation ? Pour l\u2019imaginer, il fallait une re\u0301volution conceptuelle.<\/p>\n

\u201cDe\u0300s les anne\u0301es 1980, les cosmologistes ont compris que conside\u0301rer l\u2019Univers sous l\u2019emprise de la seule gravitation e\u0301tait une vision finalement tre\u0300s \u2018classique\u2019. Ce serait vrai s\u2019il e\u0301tait compose\u0301 de particules dote\u0301es d\u2019une masse. Mais a\u0300 sa naissance, l\u2019Univers posse\u0300de une e\u0301nergie si conside\u0301rable que la matie\u0300re ne peut plus e\u0302tre de\u0301crite en termes de particules. Il faut utiliser la notion de champs, plus pre\u0301cise\u0301ment des champs quantiques. Or, avec ces entite\u0301s, il est possible de concevoir un phe\u0301nome\u0300ne re\u0301pulsif…\u201d, de\u0301taille Vincent Vennin Un champ quantique est aux particules ce qu\u2019un lac serait aux mole\u0301cules d\u2019eau.<\/p>\n

Un lac occupe une re\u0301gion de l\u2019espace, et tout objet se trouvant dans le me\u0302me espace que lui subira l\u2019action des mole\u0301cules d\u2019eau. En clair, il sera mouille\u0301 ! De la me\u0302me fac\u0327on, un champ quantique confe\u0300re a\u0300 l\u2019espace qu\u2019il occupe des proprie\u0301te\u0301s particulie\u0300res, propres a\u0300 la particule (photon, e\u0301lectron, muon, boson de Higgs…) qu\u2019il incarne. Toute comme les mole\u0301cules d\u2019eau sont indiscernables dans le lac, ces particules sont fondues dans le champ. Mais derrie\u0300re cette tentative pour visualiser la the\u0301orie des champs quantiques, il faut surtout retenir que la matie\u0300re a\u0300 haute e\u0301nergie est de\u0301crite par des champs qui sont un tout autre objet que des particules.<\/p>\n

Ainsi, de\u0300s 1980, Alan Guth fait l\u2019hypothe\u0300se que l\u2019Univers juste apre\u0300s le Big Bang baigne dans un champ scalaire. Pour se repre\u0301senter ce qu\u2019est un champ scalaire, une simple carte me\u0301te\u0301o suffit. Elle fait correspondre a\u0300 chaque ville une tempe\u0301rature. De la me\u0302me fac\u0327on, un champ scalaire fait correspondre un nombre en chaque point de l\u2019espace. Dans le cas qui nous concerne \u2013 l\u2019inflation -, l\u2019Univers est ainsi baigne\u0301 d\u2019un champ scalaire qui se manifeste sous la forme d\u2019une particule nomme\u0301e opportune\u0301ment \u201cinflaton\u201d.<\/p>\n

Se\u0301bastien Renaux-Petel, cosmologiste a\u0300 l\u2019Institut d\u2019astrophysique de Paris, nous le pre\u0301sente: \u201cLe champ d\u2019inflatons fait correspondre en tout point de l\u2019espace une densite\u0301 d\u2019e\u0301nergie. Cette densite\u0301 se de\u0301compose en une e\u0301nergie cine\u0301tique et une e\u0301nergie potentielle. Prenons l\u2019exemple d\u2019une balanc\u0327oire pour distinguer les deux. L\u2019e\u0301nergie potentielle est maximum lorsque la balanc\u0327oire est en haut, et son e\u0301nergie cine\u0301tique minimale. Lorsqu\u2019elle est au plus bas, son e\u0301nergie cine\u0301tique est maximale et son e\u0301nergie potentielle nulle. Le balancement correspond a\u0300 une conversion de l\u2019e\u0301nergie potentielle en e\u0301nergie cine\u0301tique, et re\u0301ciproquement.\u201d<\/p>\n

La chasse a\u0300 l\u2019inflaton est ouverte<\/b><\/p>\n

L\u2019inflation va se de\u0301clencher pour une raison en apparence toute simple: juste apre\u0300s le Big Bang, l\u2019e\u0301nergie potentielle de l\u2019inflaton est supe\u0301rieure a\u0300 son e\u0301nergie cine\u0301tique. Ce qui sera lourd de conse\u0301quences, comme l\u2019explique Se\u0301bastien Renaux-Petel. \u201cPour comprendre, il faut ajouter une notion fondamentale en physique des champs: la pression exerce\u0301e par l\u2019e\u0301nergie, qui est la diffe\u0301rence entre l\u2019e\u0301nergie cine\u0301tique et l\u2019e\u0301nergie potentielle. Comme l\u2019e\u0301nergie potentielle est supe\u0301rieure a\u0300 l\u2019e\u0301nergie cine\u0301tique, alors cette pression est ne\u0301gative. Or, Albert Einstein a de\u0301montre\u0301 avec la the\u0301orie de la relativite\u0301 ge\u0301ne\u0301rale que la matie\u0300re et l\u2019e\u0301nergie influent sur la dynamique de l\u2019espace-temps. Et d\u2019apre\u0300s les e\u0301quations de la relativite\u0301, cette densite\u0301 d\u2019e\u0301nergie a\u0300 pression ne\u0301gative dilate l\u2019espace-temps… \u201d<\/p>\n

Voila\u0300 donc pourquoi l\u2019Univers va s\u2019agrandir… Mais pourquoi aussi violemment ? \u201cCar la densite\u0301 d\u2019e\u0301nergie de l\u2019inflaton reste constante, me\u0302me lorsque l\u2019Univers grandit. A contrario de l\u2019e\u0301nergie classique qui, elle, se dilue \u201c, ajoute le cosmologiste. De fait, si vous chauffez votre studio de 20 m2 a\u0300 la tempe\u0301rature de 20 \u00b0C et que tout a\u0300 coup vous doublez sa surface, la tempe\u0301rature va baisser. L\u2019action de l\u2019inflaton ne diminue pas a\u0300 mesure que l\u2019espace grandit, bien au contraire: comme sa densite\u0301 est constante, plus l\u2019Univers grandit et plus la force qui le dilate grandit avec lui. D\u2019ou\u0300 le caracte\u0300re exponentiel de l\u2019inflation. Toutefois, son e\u0301nergie potentielle diminue lentement, comme si elle descendait une pente douce. Et finalement, l\u2019e\u0301nergie cine\u0301tique la de\u0301passe. La pression devient positive et l\u2019inflation s\u2019arre\u0302te. \u201cToute l\u2019e\u0301nergie de l\u2019inflaton va servir a\u0300 cre\u0301er les premie\u0300res particules baryoniques, qui me\u0300neront aux atomes\u201d, conclut Se\u0301bastien Renaux-Petel. Ce qui fait de nous les lointains descendants de l\u2019inflaton.<\/p>\n

A\u0300 la recherche des preuves de l\u2019inflation<\/b><\/p>\n

Si l\u2019inflation reste inaccessible a\u0300 nos regards, il doit e\u0302tre possible de voir la trace fossile de son action. C\u2019est l\u2019objectif de la mission internationale Litebird, dirige\u0301e par l\u2019Agence spatiale japonaise Jaxa. \u201cLitebird ressemble au satellite Planck, mais en bien plus sensible, de\u0301taille Matthieu Tristram, cosmologiste au CNRS et membre de la mission. Ce te\u0301lescope va mesurer les photons constituant la premie\u0300re lumie\u0300re de l\u2019Univers. Mais si Planck se concentrait sur leur e\u0301nergie, Litebird va mesurer leur polarisation, une caracte\u0301ristique de leur champ e\u0301lectromagne\u0301tique. Nos mode\u0300les pre\u0301voient que l\u2019inflation a produit des ondes gravitationnelles primordiales, une vibration tre\u0300s forte de l\u2019espace-temps, qui ont laisse\u0301 une trace dans le plasma qui emplissait l\u2019Univers a\u0300 ce moment-la\u0300. Il s\u2019agit d\u2019une polarisation particulie\u0300re des photons, dite de mode B. Elle doit e\u0302tre encore visible dans le fond diffus cosmologique.\u201d Le lancement de la mission est pre\u0301vu vers 2032.<\/p>\n

Dans un autre domaine, la simulation nume\u0301rique est un puissant outil pour e\u0301tudier l\u2019inflation. Par exemple, la plateforme GRChombo, un code en open source mis a\u0300 disposition des spe\u0301cialistes de la relativite\u0301 ge\u0301ne\u0301rale. Sa cofondatrice Katy Clough, de l\u2019Universite\u0301 Queen Mary de Londres (Royaume-Uni), explique: \u201cL\u2019inflation homoge\u0301ne\u0301ise l\u2019Univers. Nos simulations doivent donc tester si elle peut s\u2019enclencher a\u0300 partir d\u2019un univers inhomoge\u0300ne. Souvent, cela ne marche qu\u2019a\u0300 partir d\u2019un milieu homoge\u0300ne. Nos re\u0301cents travaux ont montre\u0301 que certains mode\u0300les fonctionnent, mais il reste des questions sur la validite\u0301 des hypothe\u0300ses simplificatrices que nous faisons afin de mode\u0301liser l\u2019Univers tout entier. \u201d<\/p>\n

Un nom de code<\/b><\/p>\n

Admettons, mais il y a un hic. Quel est cet \u201cinflaton\u201d responsable de tout ? Pour l\u2019heure, ce n\u2019est qu\u2019un nom de code. Personne ne sait qui est cette particule et son champ associe\u0301. Mais depuis quarante ans, la chasse a\u0300 l\u2019inflaton est ouverte, et elle suscite un certain enthousiasme. Il y a tellement de mode\u0300les d\u2019inflation, ne reposant pas toujours sur un champ scalaire d\u2019ailleurs, que l\u2019on peut en faire une encyclope\u0301die… au sens propre ! En mars 2023, Vincent Vennin a ainsi sorti une nouvelle version de son \u201cEncyclopaedia Inflationaris\u201d, dix ans apre\u0300s la premie\u0300re qui correspondait a\u0300 sa the\u0300se de doctorat. Entre-temps, elle a double\u0301 de volume, atteignant pre\u0300s de 800 pages et compilant une centaine de mode\u0300les d\u2019inflation.<\/p>\n

\u201cAutant de mode\u0300les pour un seul phe\u0301nome\u0300ne, c\u2019est probablement unique en physique, note Vincent Vennin. Chacun fait des pre\u0301dictions, sur la composition de l\u2019Univers, sa ge\u0301ome\u0301trie, etc. Il e\u0301tait ne\u0301cessaire de les re\u0301unir, car gra\u0302ce aux collisionneurs de particules comme le LHC, qui tentent de faire e\u0301merger de nouvelles particules, aux satellites qui cartographient l\u2019Univers, de Planck a\u0300 Euclid, nous accumulons de nouvelles donne\u0301es. Il faut alors les confronter aux pre\u0301dictions des diffe\u0301rents mode\u0300les, ce qui permet d\u2019en e\u0301liminer un certain nombre. \u201d C\u2019est ainsi que parmi tous les mode\u0300les, ceux a\u0300 champ scalaire apparaissent comme les plus aptes a\u0300 de\u0301crire l\u2019Univers tel qu\u2019on l\u2019observe aujourd\u2019hui. Mais jusqu\u2019a\u0300 pre\u0301sent, un seul de ce type a e\u0301te\u0301 de\u0301couvert: le boson de Higgs. La particule, observe\u0301e pour la premie\u0300re fois au LHC du Cern a\u0300 Gene\u0300ve (Suisse) en 2012, a e\u0301te\u0301 arrache\u0301e a\u0300 un champ de Higgs qui se trouve e\u0302tre justement un champ scalaire, le seul connu a\u0300 ce jour. Ce qui fait de lui un candidat pour constituer l\u2019inflaton, sans pour autant que les chercheurs disposent de la preuve ultime qu\u2019il s\u2019agit bien de lui. D\u2019autres mesures seront ne\u0301cessaires pour distinguer ce mode\u0300le des autres.<\/p>\n

Mais pour Se\u0301bastien Renaux-Petel, si la que\u0302te de la source de l\u2019inflaton est inte\u0301ressante en soi, elle n\u2019est pas ne\u0301cessaire pour avancer. Car la preuve de l\u2019inflation est la\u0300, sous nos yeux, dans le spectacle me\u0302me de l\u2019Univers tel qu\u2019il se pre\u0301sente a\u0300 nous. \u201cL\u2019inflation a permis des pre\u0301dictions bien avant les observations, et elles ont e\u0301te\u0301 ve\u0301rifie\u0301es. La re\u0301partition des galaxies te\u0301moigne de l\u2019action de ce champ scalaire primordial, explique le cosmologiste. Elle re\u0301sulte des fluctuations quantiques du champ. \u201d Nous ne pouvons pas voir les fluctuations du champ, 10-35 seconde apre\u0300s le Big Bang, mais il est possible de s\u2019en approcher gra\u0302ce a\u0300 une \u201cphotographie\u201d de l\u2019Univers, prise 380.000 ans apre\u0300s l\u2019inflation gra\u0302ce au satellite Planck en 2013.<\/p>\n

C\u2019est la mesure du fond diffus cosmologique, ou \u201cpremie\u0300re lumie\u0300re de l\u2019Univers\u201d. E\u0301videmment, 380.000 ans cela parai\u0302t bien loin de l\u2019e\u0301poque de l\u2019inflation, mais a\u0300 l\u2019e\u0301chelle de l\u2019Univers \u2013 a\u0302ge\u0301 aujourd\u2019hui de 13,8 milliards d\u2019anne\u0301es -, c\u2019est tout proche. Cette premie\u0300re image re\u0301ve\u0300le un Univers alors uniquement compose\u0301 d\u2019un plasma a\u0300 tre\u0300s haute e\u0301nergie, ou\u0300 les photons de lumie\u0300re se libe\u0300rent de la matie\u0300re et circulent librement pour la premie\u0300re fois. Ils dessinent alors un Univers forme\u0301 de zones un tout petit peu plus riches en e\u0301nergie que d\u2019autres. La matie\u0300re va se concentrer sur ces zones, ce qui de\u0301bouchera sur des amas de galaxies quelques centaines de millions d\u2019anne\u0301es plus tard. \u201cLes mesures pre\u0301cises de Planck confirment que ces inhomoge\u0301ne\u0301ite\u0301s sont issues des fluctuations quantiques de la dure\u0301e de l\u2019inflation. On peut donc affirmer qu\u2019il y a une continuite\u0301 entre les fluctuations de ce champ, les inhomoge\u0301ne\u0301ite\u0301s mesure\u0301es du fond diffus cosmologique et la structure de l\u2019Univers contemporain. Le me\u0301canisme de\u0301taille\u0301 de l\u2019inflation nous e\u0301chappe encore, mais l\u2019e\u0301tude des fluctuations offre la perspective de le de\u0301couvrir \u201c, conclut le cosmologiste.<\/p>\n

Les contestataires de la the\u0301orie de l\u2019inflation<\/b><\/p>\n

Si l\u2019inflation est aujourd\u2019hui tre\u0300s largement admise par la communaute\u0301 des cosmologistes, elle reste conteste\u0301e par quelques personnalite\u0301s de poids. A\u0300 commencer par l\u2019Ame\u0301ricain Paul Steinhardt, l\u2019un des auteurs de la the\u0301orie dans les anne\u0301es 1980. L\u2019autre sceptique majeur est le Britannique Roger Penrose, prix Nobel en 2020 pour ses travaux sur les trous noirs… \u201cLeurs critiques sont de plusieurs ordres, note le physicien Vincent Vennin. On ne sait toujours pas ce qu\u2019est l\u2019inflaton. Et tant qu\u2019on ne l\u2019aura pas identifie\u0301 formellement, l\u2019inflation restera une the\u0301orie \u2018non spe\u0301cifie\u0301e\u2019, qui peut e\u0302tre incarne\u0301e par plusieurs mode\u0300les. L\u2019autre critique qui revient souvent consiste a\u0300 savoir comment elle a de\u0301bute\u0301. Longtemps, les calculs mathe\u0301matiques mene\u0301s afin de de\u0301montrer comment l\u2019inflation a rendu l\u2019Univers homoge\u0300ne partaient du principe que l\u2019Univers e\u0301tait homoge\u0300ne de\u0300s le de\u0301part. Sinon, les e\u0301quations e\u0301taient trop complique\u0301es a\u0300 re\u0301soudre. La de\u0301monstration tombait un peu a\u0300 plat. Mais depuis cinq ans environ, la donne change gra\u0302ce a\u0300 la relativite\u0301 nume\u0301rique qui permet de\u0301sormais de faire des calculs a\u0300 partir d\u2019un univers inhomoge\u0300ne.\u201d<\/p>\n

Par ailleurs, les de\u0301tracteurs de l\u2019inflation proposent une alternative: l\u2019Univers serait issu de la contraction d\u2019un pre\u0301ce\u0301dent. C\u2019est le concept de temps cyclique cher a\u0300 Penrose, ou the\u0301orie du grand rebond, de\u0301fendue par Paul Steinhardt. Selon eux, ce mode\u0300le aurait l\u2019avantage d\u2019e\u0301viter le Big Bang, cette singularite\u0301 initiale que la physique n\u2019explique pas. Et l\u2019Univers s\u2019e\u0301tant recontracte\u0301 sur lui-me\u0302me avant de se redilater, cela expliquerait son homoge\u0301ne\u0301ite\u0301. \u201cCe dernier point est exact, remarque Se\u0301bastien Renaux-Petel de l\u2019Institut d\u2019astrophysique de Paris, qui a travaille\u0301 sur ce mode\u0300le. L\u2019ennui, c\u2019est la difficulte\u0301 a\u0300 de\u0301crire ce qu\u2019il advient des fluctuations de densite\u0301 d\u2019e\u0301nergie qui peuplent l\u2019Univers lors du rebond, cette phase de transition qui me\u0300ne a\u0300 l\u2019Univers en expansion. Voila\u0300 pourquoi cette hypothe\u0300se demeure minoritaire. \u201d<\/p>\n

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Africa-Press – S\u00e3o Tom\u00e9 e Pr\u00edncipe. 10-35 seconde: l\u2019inflation cosmique impose sa loi. L\u2019Univers e\u0301mergeait tout juste du Big Bang lorsqu\u2019un phe\u0301nome\u0300ne d\u2019une ampleur inoui\u0308e l\u2019a bouleverse\u0301 en profondeur: l\u2019inflation cosmique. Elle s\u2019est de\u0301clenche\u0301e environ 10-35 seconde apre\u0300s le Big Bang. 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