Selon le modèle cosmologique du Big Bang, notre univers a commencé il y a 13,8 milliards d'années lorsque toute la matière et l'énergie du cosmos ont commencé à se développer. On pense que cette période d '«inflation cosmique» explique la structure à grande échelle de l'Univers et pourquoi l'espace et le fond cosmique des micro-ondes (CMB) semblent être largement uniformes dans toutes les directions.
Cependant, à ce jour, aucune preuve n'a été découverte qui puisse définitivement prouver le scénario d'inflation cosmique ou exclure les théories alternatives. Mais grâce à une nouvelle étude réalisée par une équipe d'astronomes de l'Université de Harvard et du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), les scientifiques peuvent avoir un nouveau moyen de tester l'un des éléments clés du modèle cosmologique du Big Bang.
Leur article, intitulé «Empreintes digitales uniques d’alternatives à l’inflation dans le spectre de puissance primordial», a récemment été publié en ligne et sa publication dans le Lettres d'examen physique. L'étude a été menée par Xingang Chen et Abraham Loeb - maître de conférences à l'Université de Harvard et titulaire de la chaire Frank D.Baird d'astronomie à l'Université de Harvard, respectivement - et Zhong-Zhi Xianyu, boursier postdoctoral au Département de physique de l'Université de Harvard.
Pour récapituler, en cosmologie physique, la théorie de l'inflation cosmique déclare qu'à 10-36 quelques secondes après le Big Bang, la singularité où toute la matière et l'énergie étaient concentrées a commencé à se développer. Cette «époque inflationniste» aurait duré jusqu'au 10-33 à 10-32 quelques secondes après le Big Bang; après quoi, l'Univers a commencé à se développer plus lentement. Conformément à cette théorie, l'expansion initiale de l'Univers était plus rapide que la vitesse de la lumière.
La théorie selon laquelle une telle époque existait est utile pour les cosmologistes car elle permet d'expliquer pourquoi l'Univers a presque les mêmes conditions dans des régions très éloignées les unes des autres. Fondamentalement, si le cosmos provenait d'un petit volume d'espace qui a été gonflé pour devenir plus grand que ce que nous pouvons actuellement observer, cela expliquerait pourquoi la structure à grande échelle de l'Univers est presque uniforme et homogène.
Cependant, ce n'est en aucun cas la seule explication de la naissance de l'Univers, et la capacité de falsifier l'un d'eux a toujours fait défaut. Comme le professeur Abraham Loeb l'a déclaré à Space Magazine par e-mail:
«Bien que de nombreuses propriétés observées des structures de notre univers soient cohérentes avec le scénario d'inflation, il existe tellement de modèles d'inflation qu'il est difficile de les falsifier. L'inflation a également conduit à la notion de multivers dans lequel tout ce qui peut arriver se produira un nombre infini de fois, et une telle théorie est impossible à falsifier par des expériences, qui est la marque de commerce de la physique traditionnelle. À l'heure actuelle, il existe des scénarios concurrents qui n'impliquent pas d'inflation, dans lesquels l'univers se contracte d'abord puis rebondit au lieu de commencer par un Big Bang. Ces scénarios pourraient correspondre aux observables actuels de l'inflation. »
Dans l'intérêt de leur étude, Loeb et ses collègues ont développé une façon indépendante du modèle de distinguer l'inflation des scénarios alternatifs. Essentiellement, ils proposent que des champs massifs dans l'univers primordial subissent des fluctuations quantiques et des perturbations de densité qui enregistreraient directement l'échelle de l'Univers primitif en fonction du temps - c'est-à-dire qu'ils agiraient comme une sorte d '«horloge standard de l'Univers».
En mesurant les signaux qu'ils prédisent proviendraient de ces champs, ils émettent l'hypothèse que les cosmologistes seraient en mesure de dire si des variations de densité ont été semées pendant une phase de contraction ou d'expansion de l'Univers primitif. Cela leur permettrait effectivement d'exclure des alternatives à l'inflation cosmique (comme le scénario Big Bounce). Comme l'a expliqué Loeb:
«Dans la plupart des scénarios, il est naturel d'avoir un champ massif dans le premier univers. Les perturbations dans le champ massif à une échelle spatiale particulière oscillent dans le temps comme une boule qui monte et descend dans un puits potentiel, où la masse dicte la fréquence des oscillations. Mais l'évolution des perturbations dépend aussi de l'échelle spatiale considérée ainsi que du facteur d'échelle de fond (qui augmente de façon exponentielle lors des modèles génériques d'inflation mais diminue dans les modèles contractants). »
Ces perturbations, a déclaré Loeb, seraient à l'origine de toute variation de densité observée par les astronomes dans le Space Magazine. La façon dont ces variations ont été façonnées peut être déterminée en observant l'univers d'arrière-plan - en particulier, s'il était en expansion ou en contraction, que les astronomes peuvent distinguer.
"Dans ma métaphore, le facteur d'échelle de l'univers affecte la vitesse à laquelle une bande est tirée lorsque l'horloge y laisse des marques", a ajouté Loeb. "Le nouveau signal que nous prévoyons a imprimé sur la façon dont le niveau de non-uniformités dans l'univers change avec l'échelle spatiale."
En bref, Loeb et ses collègues ont identifié un signal potentiel qui pourrait être mesuré à l'aide des instruments actuels. Ceux-ci incluent ceux qui ont étudié le fond des micro-ondes cosmiques (CMB) - tels que les Planck l'observatoire spatial - et ceux qui ont effectué des levés de galaxies - le Sloan Digital Sky Survey, le VLT Survey Telescope, le Dragonfly telescope, etc.
Dans des études précédentes, il a été suggéré que les variations de densité dans l'Univers primordial pourraient être détectées en recherchant des preuves de non-gaussianités, qui sont des corrections pour l'estimation de la fonction gaussienne pour la mesure d'une quantité physique - dans ce cas, le CMB. Mais comme le dit Loeb, ceux-ci doivent encore être détectés:
«Le nouveau signal oscillatoire se trouve dans le spectre de puissance des perturbations de densité primordiale (qui est régulièrement mesuré à partir du fond micro-ondes cosmique [CMB] ou des levés de galaxies), alors que les suggestions précédentes dans la littérature impliquaient des effets liés aux non-gaussianités, qui sont beaucoup plus difficile à mesurer (et n'a pas encore été détecté). Les résultats présentés dans notre article sont très opportuns car des ensembles de données étendus sont collectés par de nouvelles observations des anisotropies CMB et des levés de galaxies. »
Comprendre comment notre Univers a commencé est peut-être les questions les plus fondamentales en science et en cosmologie. Si en appliquant cette méthode, des explications alternatives sur la façon dont l'Univers a commencé peut être exclue, cela nous rapprochera d'un pas de plus pour déterminer les origines du temps, de l'espace et de la vie elle-même. Les questions «d'où venons-nous?» et "comment tout a commencé?" peut enfin avoir une réponse définitive!
