La théorie du Big Bang

Les trois premières minutes (IV)

Suite à la publication de son livre sur le Big Bang, d'aucun considèrent que ce titre est la propriété de Steven Weinberg. Il le serait presque car Weinberg et quelques autres ont saisit toute l'importance de cette période de transition. On peut dire effectivement que tout l'Univers se joua en l'espace de trois minutes et quelques secondes. Cette manière d'imaginer la genèse de l'Univers se fonde sur les théories que nous venons d'entrevoir. Elles vont nous permettre de retracer son histoire toute entière et spéculer d'une façon approximative sur son avenir.

Selon la théorie du Big Bang aujourd'hui acceptée quasi universellement, au départ l'Univers n'existait pas. Qu'il y ait une singularité ou non, c'est ici que naissent les paradoxes. Au temps "t = 0" - que nous plaçons entre guillemets car nous verrons à propos de la thermodynamique que ce temps n'est peut-être pas un moment instantané de la Création mais pourrait être décrit de façon "dynamique" - nous assistons au Big Bang proprement dit. Pour quelle raison, par quel processus, c'est la grande inconnue. Selon Hawking, si nous pouvons trouver une théorie que établit le lien entre la relativité générale et la mécanique quantique, nous pourrions éclaircir le phénomène du Big Bang et comprendre l'entièreté de l'évolution de l'Univers, y compris comprendre ce qu'il y avait "avant”, avant le temps.

En attendant, jusqu'à 10^-43 sec nous sommes au temps de Planck. Un lieu sans environnement se développe, d'un rayon inférieur aux dimensions des particules atomiques, à l'intérieur duquel les lois d'une physique transitoire encore mal connue sont devenues valides. Toutes les forces connues étaient en équilibre, unifiés en une seule interaction fondamentale, la théorie "de Tout" (TOE). On peut estimer la densité totale d'énergie de l'Univers supérieure à 10⁹⁴ fois celle de l'eau (>10¹⁹ GeV), sans qu'elle atteigne nécessairement une valeur infinie; c'est la densité de Planck. Si la température minimale de l'Univers est de -273.15°C, avec l'absence de toute énergie, nous pouvons tout aussi bien un jour découvrir mathématiquement la densité maximale d'énergie dont l'Univers peut disposer.

A l'échelle et au niveau d'énergie de Planck, l'espace-temps pourrait comporter au total, non plus 4 mais 11 dimensions (théorie M), les espaces excédentaires étant compactifiés. Mais il n'est pas impossible qu'une théorie unifiée nous permette finalement de modéliser un univers à 4 dimensions. 

Quoi qu'il en soit, à cette échelle subatomique, les relations d'incertitudes de Heisenberg joue un rôle considérable. L'espace-temps n'est pas continu. A l'instar des particules qui explorent toutes les trajectoires possible, d'un point de vue probabiliste l'Univers explore toutes les géométries possibles. Sa structure spatiale se déforme et se déchire continuellement, une multitude d'espaces se juxtaposent et s'évanouissent à tout instant, suivant les inégalités d'Heisenberg. A nous de démontrer puisque nous existons, que le chemin pris par l'Univers a été guidé par un élément précis, une classe d'histoires plus probable que les autres.

Grâce aux théories de jauge qui évaluent les niveaux d'énergies, les physiciens ont démontré que lorsque la température et la densité de l'Univers sont proches de l'asymptote, les lois de la physique quantique imposent que la force qui agit entre les quarks et antiquarks diminue jusqu'à disparaître, c'est la "liberté asymptotique". 

Pendant l'ère quantique de la théorie "de Tout", l'énergie et la densité de l'Univers étaient tellement élevées que la distance qui séparait les quarks et les antiquarks leur permettait de se comporter comme des particules libres. 

Pendant que l'Univers poursuivait son expansion, les quarks et les antiquarks ont commencé à prendre leur distance, leur force d'interaction augmentant. Lorsque leur énergie atteignit un maximum une nouvelle paire de quark-antiquark se créa à partir du rayonnement. 

Plusieurs configurations initiales de l'Univers ont été proposées pour expliquer sa structure actuelle, notamment en invoquant des processus quantiques chaotique. Durant cette période le vide subit des fluctuations quantiques mais rien ne permit de différencier les bosons intermédiaires du photon. Comme le boson de Goldstone Z° ils n'ont pas de masse.

Dans de telles conditions, l'état dans lequel se trouve l'énergie total de l'Univers influence fortement sa densité. La quantité totale de rayonnement est liée à la quatrième puissance de la température (loi de Stephan-Boltzmann). L'énergie de repos des particules est bien plus élevée que l'équation d'équivalence d'Einstein le permet. L'Univers n'est encore qu'énergie, photons.

A la densité de Planck, les quarks et les leptons restent séparés, baignés par le rayonnement intense des photons gamma. La température ne permet pas à la matière de se former, ni même aux noyaux. Comme les photons gamma, les neutrinos n'ont virtuellement pas de température de seuil ni peut-être de masse, ils existent à toute température aussi élevée soit-elle. Seuls existent donc les photons, les différentes familles de quarks, de bosons, de neutrinos et leurs antiparticules qui se transforment entre eux au gré des collisions. 

Dès que la température permet la moindre réaction, les leptoquarks X transmutent certains quarks en leptons, mais dans cet environnement de particules élémentaires, quarks et leptons sont indifférenciables. En maintenant cet équilibre thermique, la taille de l'Univers grandit de façon inversement proportionnelle à sa température. Tout l'Univers tient dans un espace de 10^-33 cm, des milliards de milliards de fois plus petit que le proton. C'est l'ère des théories de jauge et des grandes théories unifiées (supersymétrie).  

L'inflation L'inflation de l'univers s'expliquerait en raison de l'amplitude de plus en plus grande des fluctuations quantiques des champs scalaires. Document A.Linde/Scientific American

Entre 10^-43 et 10^-35 sec nous assistons à l'inflation. Dans le modèle de Guth et consorts, l'Univers est rempli d'une énergie d'un type très particulier : c'est l'énergie du vide, insensible à la dilution. Puisque la densité du “faux vide” est constante, elle ne diminue pas au cours du temps tout comme l’accélération de l’expansion qui reste aussi constante. Le taux d’expansion qui caractérise la vitesse de récession de deux éléments quelconque dans ce milieu continue à augmenter (alors que si l'effet du vide n’était pas ajouté à l'effet gravitationnel de la matière ordinaire, le taux d’expansion devrait diminuer au cours du temps). Ceci provoque le développement d'une force répulsive cosmique d'une telle intensité qu'elle entraîna une expansion brutale de l'Univers. Dans le modèle de Linde, ce sont des fluctuations chaotiques de plus en plus grandes amplitudes du potentiel d'énergie qui donnèrent naissance à l'inflation. 

L'espace qui grandissait en suivant le modèle Standard enfla soudainement d'une façon exponentielle (e^t) mais sans transmettre d'effet. L'Univers grandit en fonction du cube de sa dimension, triplant cent fois de taille dans l'intervalle et grandissant d'un facteur d'au moins 10⁵⁰ ![12]. Son volume enfle également mais dans des proportions triples, si bien qu'il atteint un facteur 10¹⁵⁰. 

Avec un horizon placé à environ 14 milliards d'années-lumière aujourd'hui (Cf. les résultats de la mission WMAP), le diamètre de l'Univers était alors de l'ordre du centimètre (ct). Grandissant également d'un facteur 10⁵⁰, le domaine réel (la bulle de notre Univers) atteignait 100 millions d'années-lumière ! Aujourd’hui cette distance a grandit d’un facteur 10²⁵. La taille du domaine atteint quelque 10³³ années-lumière ! Rappelez-vous que l’univers visible n’atteint, tout au plus, que 1.5x10¹⁰ années-lumière. Les “murs” à deux dimensions spatiales qui séparent les domaines (les différentes bulles d'univers) se situent donc hors d’atteinte de nos moyens d’investigation. Là-bas résident les monopôles et d’autres entités topologiques tout aussi exotiques qui séparent les différents univers. A nouveau la réalité dépasse la fiction...  

Il existe toutefois des théories inflationnaires dans lesquelles les "murs" des domaines apparaissent après l'inflation et se propagent donc à une vitesse inférieure à celle de la lumière. Ces modèles sont aujourd'hui exclus car on devrait observer au moins l'un de ces murs sous forme d'une matière "exotique", ce qui n'est pas le cas.

Cet état inflationnaire ne dure pas plus de 10^-32 secondes. Durant cette phase éclair, la température et la densité de l'énergie chutent drastiquement. L’Univers se refroidit. Dans le modèle de Guth, la densité de l'énergie tombe à une valeur qui est tout à fait négligeable par comparaison avec la densité du “faux vide”. C’est durant cette phase de transition que la densité du “faux vide” revint à une valeur proche de zéro, l'état de moindre énergie et stable du vide ordinaire. 

Durant cette phase, nous assistons à la première brisure de symétrie des interactions. La TOE se scinde : l'interaction gravitationnelle se sépare du rayonnement unifié et devient 10³⁹ fois plus faible que l'interaction électromagnétique. A présent l'univers se voit régit par les lois classiques de la gravitation. Les interactions entre particules qui se succéderont ensuite ne modifieront en rien la température du rayonnement gravitationnel car il n'interagira plus avec la matière. Ce rayonnement fossile pourrait être détecté à une température voisine de 1 K le jour où les techniques le permettront. A cette échelle quantique les interactions forte et électrofaible sont encore unifiées dans la GUT. 

Au plus tard 10^-35 sec après le Big Bang l'inflation s'arrête, le taux d’expansion passe sous la vitesse exponentielle. Tant dans la théorie d'Andrei Linde que celle d'Alan Guth, juste après l'inflation l’énergie potentielle des champs scalaires est transférée aux particules élémentaires; toutes portant énormément d’énergie. Selon Guth, c'est un effet des mécanismes de Higgs, selon Linde un effet des oscillations des champs scalaires; dans les deux cas un champ de potentiel scalaire doit intervenir.

A présent, suite à l'effet des champs scalaires, la température de l'Univers est remontée à environ 10³² K. Nous entrons dans l'ère hadronique qui verra la formation des particules sensibles aux interactions fortes (oméga négatif, neutrons, protons, mésons, etc) à partir du rayonnement thermique. A cette température il n’y a pas encore de différence entre particules et antiparticules. En fait, les réactions entre particules supermassives se déroulent à un taux qui peut être différent de celui des réactions entre antiparticules.

Le découplage des interactions La théorie de Tout (TOE) prédit que toutes les interactions sont unifiées au-delà d’une énergie de l’ordre de 1019 GeV. A mesure que l’Univers s’est détendu et s’est refroidi, les forces se sont découplées. La conséquence prévisible de ce scénario conduit à la désintégration du proton. Mais cet événement est extrêmement rare : on prévoit une désintégration par an dans 1000 tonnes de fer.

A 10^-35 sec se produit une deuxième brisure de symétrie. C'est la fin de l'ère de Grande unification (GUT). La température de seuil (le niveau d'énergie de repos) de l'Univers est descendu à 10¹⁶ GeV, sa température est de 10²⁷ K. Dans les années 1980 les cosmologistes pensaient que l'énergie requise pour les théories de Grande unification étaient de 10¹⁴ ou 10¹⁵ GeV. Aujourd'hui Alan Guth et ses collègues estiment qu'elle serait de l'ordre de 10¹⁶ GeV. 

A ce niveau d'énergie qui continue de diminuer, les hypothétiques leptoquarks X et Y acquièrent leur masse si bien que l'énergie des quarks ou des leptons ne peut plus former de leptoquarks. Ainsi que le disait le Pape Pie XII en 1951, la lumière apparaît, une coïncidence avec les mots de la Bible "Et que la lumière soit !". Mais l'Univers reste opaque, le rayonnement émis est aussitôt diffusé et réabsorbé par les quarks, les leptons ou leur antiparticule. On ne voit pas au-dedans, tout n'est que lumière. Les paires de quarks-antiquarks s'annihilent en abondance en émettant des photons gamma. L'Univers baigne dans un "plasma" de bosons et de quarks. Ceux-ci ne sont toujours pas confinés et portent leur influence à l'infini en échangeant des gluons. C'est l'époque à laquelle les cordes cosmiques ont pu apparaître.  

La soupe de quarks 10-36 sec après le Big Bang, par 1027 K l'univers baigne dans une soupe de quarks et d'anti-quarks (cercles vides) dont la plus grande partie vont s'annihiler. Mpeg de 660 Kb. Document NCSA.

Un point sur lequel il faut insister est le fait que juste après l'inflation, la densité du vide équilibre exactement la densité critique et, pour une raison qui demeure mystérieuse et sur laquelle nous reviendrons, la densité de la matière est précisément égale à cette valeur critique, avec une précision fantastique supérieure à 10⁴⁰ décimales !

Second fait troublant, à une température supérieure à 10²⁷ K, s’il n’y avait eu que ces particules supplémentaires et “exotiques” dans l’Univers, toutes les paires de particules massives et leurs antiparticules se seraient annihilées au cours de l’expansion et du refroidissement de l’Univers, leur nombre étant exactement égal. Aujourd’hui l’Univers ne contiendrait aucun proton ni neutron. Ils auraient tous été transformés en lumière. Notre Univers ne contiendrait pas de matière ordinaire. Que s’est-il passé ?

Prochain chapitre

La formation des hadrons

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[12] Dans sa version de l'inflation chaotique, Linde propose que l'univers grandit d'un facteur 101000000 ! Par comparaison, depuis 10 milliards d'années l'univers n'a grandit que d'un facteur 1000.

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