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En regardant le ciel un soir d’été, nous nous sommes tous déjà posés la question; que s’est-il passé avant le Big Bang?

À quoi ressemblait l’Univers primordial ?

Une équipe de scientifiques a proposé un nouveau test puissant pour l’inflation, la théorie selon laquelle la taille de l’Univers a considérablement augmenté en une fraction de seconde à peine après le Big Bang. Leur objectif est de répondre à une question de longue date: à quoi ressemblait l’Univers avant le Big Bang?
Bien que l’inflation cosmique soit bien connue pour avoir résolu certains mystères importants concernant la structure et l’évolution de l’Univers, d’autres théories très différentes peuvent également expliquer ces mystères. Dans certaines de ces théories, l’état de l Univers précédant le Big Bang – le soi-disant Univers primordial – se contractait au lieu de s’étendre et le Big Bang faisait donc partie d’un Big Bounce.
Pour aider à choisir entre l’inflation et ces autres idées, la question de la falsifiabilité – c’est-à-dire s’il est possible de tester une théorie pour montrer qu’elle est fausse – a inévitablement surgi. Quelques chercheurs, dont Avi Loeb du Centre for Astrophysics of Harvard & Smithsonian (CfA) à Cambridge, dans le Massachusetts, ont fait part de leurs préoccupations concernant l’inflation, laissant entendre que son adaptabilité apparemment infinie rend tout test impossible.
« La falsifiabilité devrait être une caractéristique de toute théorie scientifique. La situation actuelle en matière d’inflation est que c’est une idée tellement flexible qu’elle ne peut être falsifiée à titre expérimental », a déclaré Loeb. « Peu importe la valeur que les gens mesurent pour un attribut observable, il existe toujours des modèles d’inflation qui peuvent l’expliquer. »

Une « horloge standard primordiale » 

Maintenant, une équipe de scientifiques dirigée par Xingang Chen de la CfA, avec Loeb et Zhong-Zhi Xianyu du département de physique de l’Université de Harvard, ont appliqué une idée qu’ils appellent une « horloge standard primordiale » aux théories non inflationnistes, et exposé une méthode pouvant être utilisée pour falsifier l’inflation de manière expérimentale. Cette étude apparaîtra dans Physical Review Letters.
Dans le but de trouver une caractéristique qui puisse séparer l’inflation des autres théories, l’équipe a commencé par identifier la propriété qui définit les différentes théories – l’évolution de la taille de l’Univers primordial.
« Par exemple, lors de l’inflation, la taille de l’Univers augmente de façon exponentielle », a déclaré Xianyu. « Dans certaines théories alternatives, la taille de l’Univers se contracte. Certaines le font très lentement, d’autres très rapidement.
« Les attributs que les gens ont proposés jusqu’à présent pour mesurer la taille de l’Univers ont généralement du mal à distinguer les différentes théories car elles ne sont pas directement liées à l’évolution de la taille de l’Univers primordial », a-t-il poursuivi. « Nous avons donc voulu trouver quels attributs observables pouvant être directement liés à cette propriété de définition. »
Les signaux générés par l’horloge standard primordiale peuvent servir un tel objectif. Cette horloge est n’importe quel type de particule élémentaire lourde dans l’Univers primordial. De telles particules devraient exister dans n’importe quelle théorie et leurs positions devraient osciller à une fréquence régulière, un peu comme le tic-tac de la pendule d’une horloge.

L’horloge standard nous indique comment les images du film du Big Bang doivent être lues

L’Univers primordial n’était pas entièrement uniforme. Il y avait de minuscules irrégularités de densité sur des échelles minuscules qui sont devenues les germes de la structure à grande échelle observée dans l’Univers qui existe actuellement.
C’est la principale source d’informations sur laquelle les physiciens s’appuient pour se renseigner sur ce qui s’est passé avant le Big Bang. Les tics de l’horloge standard ont généré des signaux qui ont été imprimés dans la structure de ces irrégularités. Les horloges standard dans différentes théories de l’Univers primordial prédisent différents modèles de signaux, car les histoires évolutives de l’Univers sont différentes.
« Si nous imaginons toutes les informations que nous avons apprises jusqu’à présent sur ce qui s’est passé avant que le Big Bang ne se présente sous forme de rouleaux d’images de film, l’horloge standard nous indique comment ces images doivent être lues », a expliqué Chen. « Sans information d’horloge, nous ne savons pas si le film doit être joué en avant ou en arrière, rapidement ou lentement, tout comme nous ne sommes pas sûrs si l’Univers primordial se gonflait ou se contractait, et à quelle vitesse il le faisait.
Le problème réside dans le fait que l’horloge standard a mis des horodatages sur chacune de ces images lorsque le film a été tourné avant le Big Bang et nous indique comment lire le film. »
L’équipe a calculé comment ces signaux d’horloge standard devraient apparaître dans les théories non inflationnistes et a suggéré une recherche dans les observations astrophysiques. « Si une structure de signaux représentant un Univers en contraction était trouvée, cela fausserait toute la théorie inflationniste », a déclaré Xianyu.

Des projets comme Euclid et SPHEREx aideront à répondre à la question de l’avant Big Bang

Le succès de cette idée repose sur l’expérimentation. « Ces signaux seront très subtils pour pouvoir être détecter », a dit Chen, « et nous devrons peut-être chercher dans de nombreux endroits différents. Le rayonnement de fond cosmique par micro-ondes en est un, et la distribution des galaxies en est un autre. Nous avons déjà commencé à rechercher ces signaux et il y a déjà des candidats intéressants, mais nous avons besoin de plus de données. »
De nombreux relevés futurs dans les galaxies, tels que le LSST américain, Euclid et le projet récemment approuvé par la NASA, SPHEREx, devraient fournir des données de haute qualité pouvant être utilisées à cette fin.
La préimpression de ce document est disponible ici: ArXiv. Un travail connexe est disponible ici : ArXiv.
Source : Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
Crédit photo sur Unsplash : Joshua Earle