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Un Univers Sans Commencement (Rebond)

L'instant du big bang pourrait-il ne pas marquer le début de l'Univers ? Selon une nouvelle théorie, défendue par deux astrophysiciens, c'est possible. Après une phase de contraction, l'Univers aurait "rebondi" et entamé l'expansion aujourd'hui observée. Une idée qui pourrait, à terme, bouleverser la cosmologie.

Notre Univers est aujourd'hui en expansion et peuplé de galaxies. Mais il pourrait avoir été autrefois en contraction, rempli de poussières et de rayonnements.

L'idée que l'Univers a eu un commencement doit-elle être révisée ? Depuis les années 1960, la théorie du big bang a imposé le modèle d'un Univers né à un instant précis, disqualifiant celui de l'Univers stationnaire défendu par le cosmologiste Fred Hoyle. Cet instant initial, appelé par excès de langage "big bang", est même daté : il aurait eu lieu voici 13,77 milliards d'années. Imaginer ce qui a pu exister avant reste scientifiquement périlleux. Car, lors de l'instant les conditions de densité et de température sont telles que les lois de la physique deviennent inaptes à décrire la matière, l'espace et le temps.
Cette vision, solidement étayée par des observations, était la seule qui demeurait valide pour raconter l'évolution de l'Univers. Le travail de deux cosmologistes vient aujourd'hui la bousculer et, du même coup, remet sur le devant de la scène l'idée d'un Univers sans commencement. Pour Patrick Peter et Nelson Pinto-Neto (Patrick Peter est chercheur à l'Institut d'astrophysique de Paris, et Nelson Pinto-Nero, au Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas de Rio de Janeiro), l'histoire de l'Univers ne serait pas celle d'un point qui se serait mis soudain à gonfler démesurément tel un ballon. Elle serait plutôt celle d'un ballon se dégonflant depuis un temps infini, jusqu'à atteindre une petite taille à partir de laquelle il aurait recommencé son expansion, voici 14 milliards d'années.
Ce concept dit "du rebond" n'est pas qu'une hypothèse de plus. Selon ses auteurs, il permettrait d'expliquer les caractéristiques de l'Univers observable - par exemple la grande homogénéité de la distribution des amas de galaxies dans l'espace. Un succès théorique qui place leur idée en compétition avec celle du modèle standard de la cosmologie, l'inflation, jusqu'à présent le seul à expliquer efficacement les caractéristiques observationnelles de l'Univers. Né dans les années 1980, ce concept d'inflation postulait une brève, mais énorme accélération de l'expansion peu après le big bang. Il y a donc désormais un débat au sein de la communauté scientifique pour savoir laquelle des deux options - le rebond ou l'inflation - va triompher.
Martin Bojowald (université de Pennsylvanie, (États-Unis) défend le rebond : "S'il permet lui aussi de résoudre les principaux problèmes physiques liés à l'Univers primordial, il le fait sans les infinis problématiques de l'instant initial, pour lesquels l'inflation n'offre pas de solutions. De plus, la manière dont se passe le rebond ne change rien a l'affaire. C'est d'ailleurs toute sa force". En revanche Andrei Linde (université de Stanford, États-Unis) défend le concept de l'inflation, dont il est l'un des fondateurs. "Le rebond tel que l'introduisent Peter et Pinto-Neto suppose que l'Univers est grand lorsqu'il se contracte, fait-il remarquer. Or, la taille de l'Univers est justement l'un des problème que résoud l'inflation". Le débat est ouvert. Il porte sur plusieurs points crudaux.

UN MODÈLE AVEC REBOND : LE PRÉ-BIG BANG
Des modèles d'Univers avec rebond ont déjà été envisagés en cosmologie, entre autres dans le cadre de la théorie des cordes avec son fameux pré-big bang.
Cette théorie conçoit les particules comme des objets à une dimension, plutôt que des points. Des cordes donc, dont les différentes fréquences de vibrations correspondraient aux différents types de particules existant dans l'Univers, tels les électrons. La théorie des cordes est l'une des théories candidates à lunification de l'infiniment petit, régi par les lois de la mécanique quantique, avec l'infiniment grand, régi par la relativité générale. Aussi a-t-elle son mot à dire en cosmologie pour décrire les époques où l'Univers était minuscule. Or, il se trouve qu'elle est capable de prédire àla fois l'existence d'un Univers en expansion, tel que nous l'observons aujourd'hui, mais aussi l'existence d'un Univers en contraction. ll est alors tentant de relier les deux types de prédictions pour obtenir un Univers avec rebond. La phase de contraction de l'Univers est, dans ce cas, qualifiée de pré-big bang.

UN UNIVERS AVEC OU SANS INFINI ?

L'Univers aurait commencé son expansion à partir d'une densilé et d'une température infinies ! Initialement, un point appelé singularité, aurait concentré tout son contenu... Un état redouté par les physiciens, car il marque un coup d'arrêt à la validité des lois de la physique. Le concept du rebond présente un avantage : celui d'éviter cette singularité. Dans un premier temps, l'Univers est très grand et en contraction. Il devient donc de plus en plus petit. Quand sa taille se réduit à plusieurs fois le volume de Planck (17,6925569946 x 10-105 m³), sa contraction cesse. Il rebondit alors vers une phase d'expansion et croît de nouveau. L'Univers n'est ainsi jamais réduit à la taille d'un point. Sa densité et sa température demeurent finies au cours du temps.
Une zone d'ombre, tout de même : les lois de la physique décrivant le rebond ne sont plus classiques et sont encore mal connues. Elles mêlent relativité générale (qui décrit la gravitation s'appliquant à l'échelle de l'Univers pour les corps très massifs) et mécanique quantique (description des phénomènes physiques à l'échelle des atomes et des particules). Le tout donne naissance à la cosmologie quantique, capable de décrire un Univers extrêmement petit où la gravitation est forte. "La théorie de cosmologie quantique que nous utilisons est assez simple car notre modèle est avant tout illustratif, explique Patrick Peter. Elle nous permet de décrire sans trop de problèmes la transition entre contraction et expansion". Reste à savoir si la cosmologie quantique choisie par la nature permet, elle aussi, un rebond... Sur ce point, Andrei Linde émet de sérieuses réserves : "Beaucoup d'alternatives à l'inflation ont été proposées, mais aucune n'explique de manière satisfaisante comment éviter les infinis de l'instant initial. Jusqu'à présent, elles restent donc des vœux pieux".

COMMENT OBTENIR UNE TEMPÉRATURE UNIFORME ?

Quelque 380 000 ans après le big bang, la lumière a commencé à se propager librement à travers l'espace, sans interagir avec la matière. Nous observons aujourd'hui le fossile de cette première lumière sous la forme d'un "rayonnement de fond cosmologique", dont la température est de 2,73 Kelvins dans toutes les directions de l'espace. Or, rien n'allant plus vite que la lumière, certaines régions du ciel trop éloignées les unes des autres ne devraient pas avoir eu le temps de communiquer entre elles pour avoir un rayonnement de fond de température identique si l'Univers n'existe que depuis 14 milliards d'années. Comment alors ce rayonnement peut-il partout avoir la même température ?
La solution proposée par le concept du rebond repose sur la durée de sa phase de contraction, comme l'explique Patrick Peter : "Dans notre modèle, si l'Univers est rempli par certains types de matières tels que de la poussière (NDLR : par poussière, il faut entendre de la matière sans interaction sauf gravitationnelle, comme les étoiles ou la matière noire) ou du rayonnement, toutes les régions de l'espace ont le temps d'échanger de l'information pendant la phase de contraction, puisque celle-ci peut durer aussi longtemps que l'on veut, et même infiniment. Pour régler ce problème de température uniforme, l'inflation propose aussi une solution assez naturelle. Grâce à cette expansion accélérée de l'Univers dans sa prime jeunesse, de petites régions où la température aurait eu le temps de s'uniformiser seraient devenues extrêmement grandes. Plus grandes que la taille de l'Univers que nous sommes capables d'observer aujourdhui. C'est pourquoi au sein de cet Univers observable, le rayonnement de fond cosmologique aurait partout la même température.

UN UNIVERS EXTRÊMEMENT PLAT

Les observations montrent que la géométrie de notre Univers est extrêmement plate. À tel point que c'est difficilement compréhensible. “Plat” signifie ici un Univers défini par la géométrie d'Euclide. Autrement dit, celle d'un plan pour lequel, notamment, la somme des angles d'un triangle vaut 180°. D'autres types de géométries existent, comme celle sphérique d'un ballon : la somme des angles d'un triangle est alors supérieure à 180°. Si la platitude de l'Univers est suspecte aux yeux des cosmologistes, c'est que celui-ci est censé s'en écarter dès que son expansion décélère. Or, c'est précisément ce qu'il a fait pendant ses huit premières années d'expansion. Si l'Univers est encore très plat aujourd'hui, il devait donc l'être sacrément depuis le départ !
Pour cela, il n'y a qu'une altemative : soit une expansion accélérée comme celle de l'inflation, soit une contraction décélérée comme avant le rebond. "Dans notre modèle, la phase de contraction peut être aussi longue que l'on veut, se réjouit Patrick Peter. L'Univers peut ainsi devenir aussi plat que possible pour que les 14 derniers milliards d'années de sa phase d'expansion, pendant lesquelles il a commencé à s'éloigner de la géométrie euclidienne, ne soient rien à côté du temps infiniment long au cours duquel il s'en est approché". Joli succès du concept du rebond. Et l'inflation ? "Cette accélération de l'expansion doit avoir été suffisante pour que l'Univers soit devenu tellement plat dans sa jeunesse que les turpitudes de l'expansion ces 14 derniers milliards d'années n'aient pas trop affecté sa géométrie", note Patrick Peter, avant de conclure : "Notre modèle est comparable à celui de l'inflation". Match nul, donc.

EXPLIQUER L'HOMOGÉNÉITÉ OBSERVÉE

À grande échelle, la distribution de matiere dans l'Univers, galaxies et amas de galaxies (l'amas UGC 9769 dans la Petite Ourse ->), est très homogène. Elle ressemble à celle d'une éponge, avec de longs filaments et de vastes bulles de matière entourant d'immenses vides.

Autre problème de la cosmologie : pourquoi, à grande échelle, la distribution de matière dans l'Univers est-elle si homogène ? Car il y a fort à parier qu'à ses débuts l'Univers devait être rempli d'inhomogénéités de la matière, tels des grumeaux dans une pâte. Une fois de plus, le rebond, avec sa phase de contraction, fait des miracles. "Quel que soit le degré d'inhomogénéité dans lequel se trouve la distribution de matière durant la phase de contraction, et pourvu que cette matière soit modélisable comme un gaz de poussière, les inhomogénéités se diffusent avec le temps dans l'espace à la manière d'un gaz remplissant uniformément une boîte fermée, explique Patrick Peter. L'homogénéisation se fait rapidement. Cependant, il faut que les effets de la gravité soient faibles durant ce processus. Cela permet à la matière de ne pas former de structures qui seraient alors autant d'inhomogénéités. Mais comme on peut diluer la matière dans un espace aussi grand que l'on veut (il suffit de remonter aussi loin que nécessaire dans le temps), il y a toujours moyen de rendre les effets de la gravité aussi faibles que souhaité".
Quant à la solution apportée par l'inflation, elle consiste à lisser les inhomogénéités de la matière au cours d'une expansion brutale. Ces dernières sont alors comme les grumeaux d'une pâte qui paraîtrait plus lisse si elle se retrouvait tout à coup diluée dans un volume bien supérieur - ce que l'inflation réalise avec l'Univers tout entier. Cependant, des conditions particulières doivent être réunies afin que l'inflation dure assez longtemps pour homogénéiser convenablement la matière. Et la probabilité qu'une telle chose se produise est bien plus grande que le contraire !

ALORS, INFLATION OU REBOND ?

Inflation et rebond offrent des solutions différentes aux problèmes de la cosmologie, ces deux concepts apportant chacun leur lot d'interrogations. Alors, lequel choisir ? "Les futures observations cosmologiques devraient permettre de trancher", annonce Martin Bojowald. Ce sera peut-être le cas des observations du rayonnement de fond cosmologique par le satellite Planck, lancé en avril 2009. L'amplitude des perturbations de la gravitation, dues aux inhomogénéités de la matière, sera ainsi mesurée. Mais aussi celle des perturbations dues à la propagation d'ondes gravitationnelles dans la matière, 380.000 ans après le début de l'expansion. Le rapport de ces amplitudes est la clef qui permettra de choisir entre les deux concepts. En effet, "l'inflation prédit un rapport différent de celui du rebond, indique Patrick Peter. Et pour le rebond, ce rapport dépend de la théorie de cosmologie quantique utilisée". "Celle-ci conditionne la sensibilité des observations nécessaire à la distinction entre inflation et rebond", souligne Martin Bojowald. Optimiste, Patrick Peter estime, lui, que "les observations de Planck seront à la limite de la sensibilité nécessaire, mais devraient suffire".
Le concept d'Univers avec rebond possède tous les atouts pour chambouler la cosmologie. Il semble résoudre, parfois de manière plus naturelle et élégante que l'inflation, de nombreux problèmes telles la platitude ou l'homogénéisation de l'Univers. Certes, beaucoup de travail reste encore à faire pour l'établir comme une altemative viable au modèle standard. Ainsi, la phase de contraction n'a été jusqu'à présent envisagée par les chercheurs que pour un Univers ne contenant que de la matière et aucun rayonnement. Or ce dernier est censé dominer l'évolution de l'Univers primordial jusqu'à l'époque du rayonnement de fond cosmologique. "Nous sommes en train d'introduire la présence du rayonnement dans notre modèle, assure Patrick Peter, et déjà nous constatons que la transition entre contraction et expansion peut aussi se produire lorsque le rayonnement domine l'Univers". Alors, inflation ou rebond ? Voilà qui donne au satellite Planck le pouvoir potentiel de renverser notre vision de l'Univers.

S.F. - CIEL & ESPACE > Février> 2009
 

   
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