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L'Univers inflationnaire

Les problèmes du modèle Standard (I)

Le modèle cosmologique Standard qui décrit l'évolution de l'Univers coïncide avec le modèle inflationnaire à partir de 10-35 sec, mais il n'accepte pas d'autres structures mathématiques que les équations de champ de la relativité générale ni d'autres particules élémentaires que les quarks et les électrons. Il ne répond donc que partiellement à l'unification des forces démontrée dans les théories de Grande Unification. Le modèle Standard considère que les lois physiques ne changent pas avec le temps et que les effets gravitationnels sont correctement décrits dans la théorie d’Einstein.

Les théories modernes des particules élémentaires impliquent par exemple que le modèle Standard doit conduire à une surproduction de particules exotiques comme les monopôles, des particules massives ayant une charge magnétique unique. Selon John P.Preskill, physicien théoricien à Caltech, la densité des monopôles dépasserait 1025 fois celle de la densité critique. Les observations infirment cette théorie. Il faut donc trouver une autre explication plus conforme à la réalité.

A côté de ce problème, un parmi beaucoup d'autres, le modèle Standard souffre de plusieurs défauts majeurs qui empêchent actuellement les astronomes de comprendre l'évolution de l'Univers :

- L'existence même du Big Bang, demeure un problème insoluble. Paradoxalement même la théorie du Big Bang est incapable de l'expliquer et encore moins d'expliquer ce qui a fait "bang", pourquoi et ce qui s'est produit avant qu'il ne fasse "bang". Enfin cette théorie ne répond pas à la question, qu'y avait-il "avant" le Big Bang, avant l'espace-temps ? S'il n'y avait rien avant, comment tout a-t-il pu naître de rien ? Qui apparut le premier, l'Univers ou les lois gouvernant son évolution ?

- La platitude de l'Univers visible ne s'accorde pas avec les lois de la Relativité générale, surtout à l'échelle de Planck qui considère que l'Univers doit présenter un certain rayon de courbure

- La taille de l'Univers, pourquoi est-il si vaste ? Pour l'homme il aurait pu très bien contenir le système Soleil-Terre et rien de plus.

- La synchronisation de l'expansion de l'Univers s'est produite partout simultanément, comment expliquer ce phénomène ?

- Comment expliquer ensemble l'homogénéité de la distribution de la matière à grande échelle dans l'univers et la formation des inhomogénéités que sont les superamas de galaxies, les galaxies et les étoiles ? Le principe cosmologique d'Edward Milne est un postulat, pas une explication.

- La valeur de la densité initiale de l'Univers n'a aucune explication dans le modèle Standard. La théorie est valable pour n'importe quelle valeur initiale de densité. Mais si la théorie doit être conforme aux observations, la valeur initiale de W doit être extraordinairement proche de 1.

- Pourquoi le monde est-il ce qu'il est, pourquoi 4 dimensions, pourquoi pas 2 ou 5, pourquoi les constantes naturelles ont des valeurs finement ajustées et pas d'autres ?

Les acteurs (I)

Quelques uns parmi les pionniers de la théorie de l'Univers inflationnaire dont nous allons développer les idées. De gauche à droite, Alexey Starobinsky (2013), Andrei Linde (~2000) et Alan Guth (~2000). Leurs contributions mathématiques ont été essentielles au développement de la théorie. Documents Gruber Foundation, Stanford University et MIT.

Arrêtons-nous un instant pour réfléchir à ces questions. En posant ainsi le "pourquoi" des choses, les scientifiques cherchent par définition la cause ou la raison d'être de ces phénomènes. Mais la Science n'est pas à même de répondre à ce genre de question. Ainsi que nous le verrons dans le dossier consacré à la philosophie des sciences, la tâche réelle de la Science est d'expliquer le "comment", de quelle manière, par quel moyen un évènement peut se produire. La nuance, ambiguë pour certains, transforme de plus en plus la science en une doctrine moderne : on croit en telle théorie comme l'on croit en Dieu. On finit par attribuer à la Science un pouvoir surnaturel, métaphysique qu'elle ne possède pas. A moins que les physiciens ne se décident à considérer les principes philosophiques de G.Hegel comme une réalité possible, lui qui disait en 1821 dans "La Philosophie du droit" : "ce qui est rationnel est réel et ce qui est réel est rationnel".

Et de fait, il semble que les plus grandes sommités scientifiques enseignant au MIT, à Caltech ou à Stanford pour ne citer que trois célèbres universités soient parvenues à éliminer les problèmes du modèle Standard en inventant la théorie de l'univers inflationnaire.

Emboîtons-leur le pas et tentons de répondre à toutes ces questions et bien d'autres encore plus surprenantes.

Les acteurs (II)

De gauche à droite, Peter Higgs (~2005), Sidney Coleman (~1970) et Paul Steinhardt (~2010). Documents Peter Tuffy/The University of Edinburgh et Stanford University.

La plupart de ces problèmes que nous venons d'exposer peuvent être résolus en appliquant la théorie de l'univers inflationnaire auto-reproductif. Qu'est-ce que cela signifie ?

Reconnaissons que ce domaine de la cosmologie est difficile à comprendre, d'autant qu'il s'intéresse à la fois à des entités subatomiques tout en visant à appréhender le cosmos dans sa globalité... Si le sujet est vaste, au sens propre comme au figuré, il constitue aussi l'une des branches les plus complexes de cette discipline car elle se nourrit de concepts empruntés à la relativité générale et à la physique quantique, y compris aux idées parfois débridées des physiciens théoriciens et des mathématiciens experts des espaces topologiques. Pour l'homme de la rue, on entre réellement dans un autre univers !

Face à cette difficulté intellectuelle qui émerge naturellement de la cosmologie quantique, pour expliquer ce concept nous devons faire un détour bien nécessaire par la théorie des particules élémentaires et en particulier par la théorie électrofaible qui unit les interactions faibles et électromagnétiques, représentées par des entités aussi différentes que le photo et les particules W ou Z°, le premier n'ayant pas de masse de repos, les secondes ayant une masse très élevée. Pour unir des particules aussi différentes, une manière aussi originale qu'astucieuse consista à introduire des champs dits "scalaires".

La physique des champs scalaires

Un champ scalaire est un lieu de l'espace où s'exerce une force qui n'est pas orientée, à l'inverse des champs vectoriels. La meilleure analogie est le potentiel électrostatique, celui qui détermine la tension aux bornes d'une pile, son voltage. Un champ électrique se manifeste uniquement lorsqu'il y a une différence de potentiel entre deux pôles ou lorsque le potentiel est alterné au cours du temps. Comme le dit Andrei Linde, "si tout l'univers avait un potentiel électrostatique de 110V, personne ne le remarquerait; le potentiel serait juste un autre état du vide". De manière analogue, un champ scalaire constant ressemblerait au vide : nous ne le verrions pas même s'il nous entourait.

Pour décrire la création des particules élémentaires, les physiciens partent de l'hypothèse qu'à l'origine les particules ne présentaient pas de masse de repos et que toutes les interactions étaient unifiées dans la Théorie de Tout (TOE).

Le découplage des interactions et la scission des particules en plusieurs familles (hadron, boson, lepton, etc) telles que nous l'observons aujourd'hui résultent d'un évènement survenu beaucoup plus tard lorsque l'expansion de l'univers le remplit de champs scalaires aux propriétés différentes. Ce processus est appelé une "brisure de symétrie". Nous reviendrons sur le terme dans un instant et nous le développerons en détails en physique qantique et dans la décrirons dans la théorie du Big Bang.

Fluctuations des champs scalaires

Cette séquence d'images représente l'évolution d'un champ scalaire juste sous la densité de Planck. Les fluctuations quantiques les plus importantes (les pics élevés) représentent des régions de l'univers subissant un phénomène inflationnaire. Actuellement notre univers se situe dans un creux de ce modèle (l'une des vallées), une région qui ne subit plus de phénomène inflationnaire. Cliquer sur l'une des images pour lancer une animation (GIF de 1 Mb). Document A.Linde.

Les champs scalaires jouent donc un rôle très important en cosmologie comme dans la physique des particules élémentaires. Ce sont en effet ces champs scalaires qui ont dirigé le taux d'expansion de l'Univers et le phénomène d'inflation. Nous allons donc voir comment fonctionne une brisure de symétrie et de quelle manière les champs scalaires interviennent dans ce mécanisme. Mais avant cela nous devons encore rappeler quelques règles.

L'inflation

Dans ses grandes lignes, une majorité de mathématiciens, de physiciens et d'astronomes approuvent la théorie du modèle inflationnaire qui sera détaillée dans les pages qui suivent, bien qu'aucune certitude absolue ne puisse être avancée.

Partant du modèle standard, tous les physiciens sont d'accord pour admettre le scénario d'un Univers primitif, pas nécessairement chaud, explosant à partir d'un phénomène de Big Bang. Les physiciens peuvent en parler avec assurance. Ce phénomène ne nécessite pas une singularité à l'origine des temps. C'est seulement une hypothèse de travail. Un seul artifice est indispensable : l'Univers plat euclidien. Les modèles numériques actuels permettent de résoudre de nombreux problèmes de la physique quantique jusqu'à une époque très lointaine dans le temps, jusqu'à 10-43 sec, le temps de Planck.

On ne peut en effet s'expliquer cette phase de transition qui aurait donné lieu à l'inflation de l'Univers. La théorie de la gravitation quantique reste partielle, la relativité générale ne tenant pas compte du principe d'indétermination de Heisenberg. Rien ne nous permet d'explorer l'espace-temps pendant cette période, tout au plus peut-on imaginer quelques conséquences.

Pourquoi l'inflation ?

Partant de données connues comme l'échelle d'énergie et la densité de Planck, en suivant les lois du modèle Standard, les physiciens estiment que l'univers tout entier ne peut pas contenir plus de dix particules élémentaires. L'observation contredisant ce résultat, il fallait donc amender la théorie.

L'inflation résout ce problème et quelques autres.

Les 3 tests de l’inflation

- Amplitudes des fluctuations de densité conforment au modèle Harrison-Zel’dovitch

- Densité moyenne proche de la densité critique Ω = 1 à 0.01%

- Matière sombre froide d’origine principalement non baryonique

La théorie de l’inflation répond aujourd’hui en partie à ces trois tests.

Quelle autre théorie pourrait s’y conformer ?

Le premier qui détient la réponse gagne le prix Nobel de Physique.

Historiquement, la phase inflationnaire fut envisagée pour la première fois par le physicien soviétique Erast Gliner[1] de l’Institut de Physique et de Technologie de Léningrad au début des années 1970.

En 1974, Andrei Linde[2] de l’Institut Lebedev de Moscou qui immigra plus tard à l'Université de Stanford à Palo Alto publia un article d'à peine deux pages dans lequel il expliqua que les champs scalaires homogènes classiques, notés Φ et présents dans toutes les théories unifiées des particules élémentaires, pouvaient jouer un rôle dans l’instabilité de l’état du vide et conduire à un réchauffement de l’Univers.

En 1979, son collègue Alexey Starobinsky[3] de l’Institut Landau de Physique Théorique de Moscou montra dans un petit article technique et discret que le régime d’expansion exponentielle et le réchauffement de l’Univers qui s’en suivit apparaissaient dans la théorie de la gravitation à condition de tenir compte de corrections quantiques.

En 1980, Sidney R. Coleman (1937-2007) et Frank de Luccia de l’Université d’Harvard découvrirent que les champs de Higgs, des briseurs de symétrie, pouvaient déclencher cette inflation spontanément par effet tunnel.

Sur le plan historique, si Starobinsky présenta la première forme de la théorie inflationnaire, c'est Andrei Linde qui développa l'approche la plus rigoureuse, tandis qu'Alan Guth du MIT y arriva en même temps que lui et communiqua son engouement pour la cosmologie inflationnaire au public.

Andrei Linde[4] nous rappelle que le niveau d’énergie requis pour unifier les quatre interactions fondamentales de la nature n’est pas très différent de la masse de Planck, ~10-5 g. A cette échelle les effets de la gravité quantique deviennent importants. La masse de Planck est la masse pour laquelle la longueur d’onde de Compton lp ~10-33 cm égale le rayon de Schwarzschild. A ce niveau d’énergie la gravitation doit être prise en considération. Cette énergie Mpc2 ~1019 GeV, ce qui correspond à l’énergie cinétique d’un petit avion.

Aujourd'hui, le plus puissant accélérateur de particules du monde, le LHC du CERN accélère les particules jusqu’à 14 TeV soit 1.4x104 GeV, ce qui corresponds à plus de 10000 fois fois l'énergie du proton au repos. Nous sommes 15 ordres de grandeurs en-dessous du niveau d'énergie requis pour unifier les quatre interactions fondamentales. Les physiciens des particules élémentaires ne peuvent donc pas reproduire en laboratoire les conditions infernales qui régnaient dansl'Univers à cette époque reculée, il y a environ 13.8 milliards d'années.

Entre la supersymétrie qui régnait dans l'Univers primordial et l'état "désordonné" d'aujourd'hui, une série d'évènements extrêmement violents se sont manifestés que l'on commence à peine à comprendre. L'objectif de la physique des particules et de la cosmologie des premiers instants de l'Univers consiste à essayer de décrire ces différentes étapes. Doc Quanta magazine.

Le plus grand accélérateur circulaire que l’on pourrait construire sur Terre, avec une circonférence de 40000 km, ne peut pas accélérer les particules au-delà de quelque 108 GeV, une énergie dans le centre de masse occasionnellement mesurée dans les collisions entre rayons cosmiques. Mais il reste presque 12 ordres de grandeurs en-dessous du niveau d’énergie requis pour tester directement les théories de Grande Unification (1019 GeV). Linde conclut qu'"essayer de trouver une théorie correcte des interactions fondamentales à partir d’expériences qui se déroulent à de si basses énergies équivaut à rechercher la théorie correcte de l’union électrofaible en n’étudiant que les ondes radios".

En théorie, pour atteindre le niveau d'énergie de la supersymétrie (théorie de tout, TOE) les physiciens ont besoin d'un accélérateur de particules mesurant 1 année-lumière ! En pratique, le seul accélérateur capable de produire de telles énergies en direct est notre univers lui-même : ”A une époque où la densité de l’univers et sa température étaient largement infinies écrit Linde, où kT/c2 excédait la masse de Planck et la densité excédait Mp /Lp3, les fluctuations de la métrique prédominaient”.

A défaut de trouver dans l'Univers de tels évènements qui remontent à la création de l'Univers, les astrophysiciens et les cosmologistes doivent compter sur les recherches de leurs collègues physiciens des particules élémentaires. En effet, l'activité des quasars et des trous noirs par exemple a beau être violente, elle n'est pas directement liée au Big Bang; il s'agit simplement de processus appliquant en force les lois de la relativité générale et des effets quantiques. De plus, ces évènements ne sont pas reproductibles ou testables en laboratoire ce qui dérange toujours les praticiens.

Le scénario du Big Bang stipule qu’après un début extrêmement chaud, l’expansion de l’Univers entraîna une chute drastique de sa température qui évolua en fonction inverse du rayon de l’Univers, le facteur d’échelle. Par conséquent, aux énergies les plus élevées de l’Univers, les interactions n’ont pu se produire que pendant la phase primordiale de son évolution.

Et de nouveau surgit la même question entrevue à propos des modèles d'univers, comment extraire les informations utiles d’une expérience unique qui s’est produite il y a 13.8 milliards d’années ? C'est parce que la réponse fut inattendue qu'il fut surprenant de constater que l’étude des particules élémentaires qui traitait justement des processus physiques se déroulant à hautes températures pouvait écarter la plupart des théories unifiées existantes et les contraindre dans une certaine voie.

Le paradigme inflationnaire s’exprime aujourd’hui sous la forme de nombreuses théories concurrentes, la plupart tenant compte d'une phase primordiale chaotique et même peut-être capable de s'auto-reproduire (inflation éternelle de Linde). Toutes considèrent que l’Univers connut une phase d'expansion exponentielle liée à un état instable dans lequel l'Univers contenait certains champs homogènes classiques mais aucune ou quasiment pas de particules. C’est cette expansion excessivement rapide que l’on appelle l’inflation. Après cet évènement l'énergie potentielle des champs scalaires fut transférée aux particules élémentaires dans une cascade de fusions et de décroissances dont les scénarii diffèrent d'un modèle à l'autre.

Pour l'homme de la rue ces concepts sont purement incompréhensibles et même un lecteur éclairé a parfois du mal à suivre les commentaires publiés dans les magazines scientifiques. Les journalistes scientifiques ont donc un rôle important à jouer si les chercheurs souhaitent partager leurs découvertes avec le public.

Aussi pour permettre à chacun de saisir les propos qui vont suivre, une introduction à cette matière s'avère plus que nécessaire.

Deux grandes théories ont été proposées pour expliquer l'inflation de l'Univers :

- Les mécanismes de Higgs d'Alan Guth

- L'inflation chaotique d'Andrei Linde.

Nous allons développer ces deux scénarii car à l'heure actuelle les deux modèles évoluent en parallèle et aucun physicien ne peut choisir une théorie plutôt qu'une autre. Il est même possible de combiner les deux théories.

Prochain chapitre

Comment les particules ont acquis leur masse

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[1] E.Gliner, "Algebraic properties of energy-momentum tensor and vacuum- like states of matter", Sov. Phys. JETP, 22, 1966, p378 - E.Gliner, Dokl. Akad. Nauk. SSSR, 192, 1970, p771 - E.Gliner, Sov. Phys. Dokl., 15, 1970, p559.

[2] A.Linde, "Is the Lee constant a cosmological constant?", JETP Letters, 19, 5, 1974, p183-184 (en 40 ans, cet article a été cité plus de 5400 fois dans la littérature scientifique) - A.Linde, Report on Progress in Physics, 42, 1979, p389.

[3] A.Starobinsky, "Spectrum of relict gravitational radiation and the early state of the universe", JETP Letters, 30, 1979, p682-685. Bien qu'antérieurs aux travaux d'Andrei Linde et d'Alan Guth, les travaux sur la théorie inflationnaire d'Alexey Starobinsky sont moins connus probablement du fait que la littérature russe est moins répandue en Occident. De plus, comme la plupart des articles russes, les présentations sont très abstraites et concises er rarement vulgarisées.

[4] A.Linde, "Particle Physics and Inflationary Cosmology", Physics Today, September 1981, p61-68. Voir aussi son livre du même titre publié en 1990.


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