L'Univers inflationnaire

Monopôles et domaines (V)

Si la théorie de Linde résout le problème de la paroi des bulles, des "domaines murés", la théorie de Guth explique aussi la formation des hypothétiques monopôles magnétiques de Dirac[8].

En effet, en supposant que la symétrie fondamentale (TOE, la Théorie de Tout) s'est brisée vers 10^-43 sec et sachant qu'au temps de Planck les domaines étaient causalement liés, on peut poser c.t =10^-33 cm comme étant le rayon de l'Univers à cet instant, c'est-à-dire la distance de l'horizon cosmologique. La brisure de la symétrie, en application des mécanismes de Higgs, aurait donné naissance à des domaines dont l'état du vide serait à chaque fois différent. Dans les théories de Grande Unification, les intersections de plusieurs domaines sont caractérisées par des "défauts topologiques" où le champ de Higgs pointe radialement vers l'extérieur à partir d'un point, comme l’eau congelée prend une forme cristalline et perd sa symétrie de rotation. Lorsque ces directions sont toutes centrifuges, il se forme un “défaut” matérialisé par une charge magnétiques unique, un monopôle magnétique. Il force l'énergie du vide à adopter une direction particulière, "figeant" la matière en fonction de la géométrie des groupes de jauge.  

Les théories unifiées prédisent qu'on retrouverait environ un monopôle à l'intersection de 3 voire de 10 domaines. Cette particule serait extrêmement lourde, quelque 10¹⁶ fois la masse du proton, presque la masse d'un grain de sable mais de taille atomique ! Suite à l’inflation, les parois de ces domaines seraient éloignés d’un multiple de 10⁵⁰ fois le rayon de l’univers visible. Les monopôles existeraient donc mais seraient extrêmement rares. Lorsque l'asymétrie apparut vers 10^-35 sec, le nombre de monopôle était inversement proportionnel au volume de l'Univers, soit environ 10⁷⁷/cm³. Aujourd'hui, le rapport des températures permet de dire qu'il devrait en rester quelque 10^-8/cm³ . Etant donné que les monopôles restent très rares, il faut ajouter à cette argument que là où la matière sombre cacherait 10¹⁶ protons, 1 seul monopôle suffirait[9].

En 1982, le physicien Blas Cabrera[10] de l'Université de Stanford semblait avoir détecté un monopôle grâce à un interféromètre à supraconducteur. Mais l'événement ne put jamais être reproduit. Les conclusions auxquelles il aboutit néanmoins bouleversent quelque peu les théories de Grande unification. Cabrera obtient un rapport  monopôles/baryons inférieur à 10^-9, soit une densité de 10^-15 monopôles/cm³. Statistiquement, nous savons que les baryons représentent une masse volumique de quelque 10^-31 g/cm³, ce qui représente une densité de quelque 10^-7 baryons/cm³.  

Bien qu'ils soient magnétisés, les monopôles ne semblent pas provoquer d'interactions mesurables avec le champ magnétique stellaire; ils ne diminuent pas son intensité. Leur nombre doit donc être revu à la baisse. Le rapport entre le nombre de monopôles et de baryons serait de l'ordre de 10^-28, un ordre de grandeur 10²⁶ fois plus faible que la valeur théorique basée sur la température et le volume de l'Univers ! Certains physiciens confirment cependant le fait que l'expansion brutale lors de la phase de transition a pu les éparpiller dans tout l'espace, ne rendant accessible que quelques uns d'entre eux. Mais en cent jours de veille, Cabrera n'enregistra qu'un seul monopôle suspect... Seraient-ils quasiment annihilés aujourd'hui par un processus inconnu ? Quoi qu'il en soit, leur existence est une nécessité pour valider l’inflation chaotique et l'évolution des champs de Higgs. 

La formation des galaxies

La théorie de l'inflation chaotique s'accorde également sur l'existence des monopôles mais contrairement à la théorie de Guth ses prédictions s’accordent avec des paramètres arbitraires qui semblent confirmer que l'idée d'Andrei Linde s'accorde mieux avec les lois de la physique que celle exprimée par Alan Guth.

Mais si l'inflation chaotique résout tous les problèmes, le modèle semble trop parfait pour être vrai. En gommant toute les inhomogénéités à grande échelle, l'inflation n'explique pas comment les galaxies ont émergé de cette mer d'huile. 

Linde explique qu'en lissant les champs scalaires, l'inflation a également créé des inhomogénéités par effet quantique. Dans une première théorie les physiciens considéraient que des fluctuations des champs de Higgs pendant la phase de transition avaient régénérées des inhomogénéités qui s'étendirent jusqu'à l'échelle astronomique en raison de l'inflation. Mais Linde imagine un autre scénario. Des fluctuations du vide quantique que l'on peut imaginer semblables à des ondes microscopiques dans les champs physiques classiques présentaient toutes les longueurs d'ondes et se déplaçaient dans toutes les directions. Dans l'univers inflationnaire la structure du vide devint rapidement complexe. L'inflation détendit les ondes qui devinrent suffisamment larges pour que leurs ondulations commencent à s'imprégner de la courbure de l'espace-temps. A ce moment là les ondes ont cessé de se déplacer en raison de la friction présente dans le milieu (pour rappel les champs scalaires contiennent un terme décrivant la friction).

Les premières fluctuations quantiques ont en quelque sorte figé les longueurs d'ondes les plus petites. A mesure que l'univers s'étendit de nouvelles fluctuations se sont détendues et se sont figées sur les ondes précédentes. A cette étape de l'évolution de l'univers on ne peut plus les appeler des fluctuations mais bien des ondes. La plupart de ces ondes sont devenues extrêmement étendues. Etant donné qu'elles ne se déplaçaient plus et non pas disparues, elles ont localement augmenté l'énergie des champs scalaires et l'on diminué ailleurs, créant de nouvelles inhomogénéités. Ces perturbations des champs scalaires sont à l'origine des perturbations de densité qui ont conduit à la formation des premières galaxies et que le satellite COBE a détecté quelque 300000 ans avec le Big Bang. 

Une révolution en route

Malgré l'incertitude qui reste sur la densité des monopôles, cette théorie permet d'expliquer pourquoi l'Univers contient autant de matière. L'énergie libérée par un seul domaine en inflation apporta à l'Univers énormément de matière potentielle. Aujourd'hui dans l'Univers, il reste plus de 10⁸⁰ photons, auxquels il faut ajouter un milliardième de matière baryonique et selon les estimations, de 20 à 100 millionième de matière invisible. Linde expose le nombre d'au moins 10⁹⁰ particules élémentaires dans l'univers visible. Il obtient ce chiffre en considérant que le volume est proportionnel au cube du diamètre de l'univers à l'époque de l'inflation, et qu'il aurait doublé au moins cent fois de taille, une valeur modeste déduite des paramètres des particules élémentaires ou des facteurs géométriques, ce qui conduit au nombre de (2¹⁰⁰)³ ~ 2x10⁹⁰.

L'ancien modèle inflationnaire conservait quelques constantes irréductibles qui faisaient partie des conditions initiales du système afin d’obtenir les composantes "non nulles" des champs de Higgs. A l'inverse, il diluait la densité des baryons sous un seuil négligeable pour mieux s'accorder avec les théories de Grande unification dans lesquelles le nombre baryonique n'est pas conservé. Aujourd'hui l'inflation chaotique résout ce problème en posant arbitrairement ses conditions initiales. Si la théorie est confirmée par les physiciens ces derniers recherchent activement les monopôles dont les propriétés pourraient asseoir définitivement la théorie de l'inflation chaotique.

Sans rester dans les limbes de la connaissance pure et abstraite, la théorie de Linde prévoit quelques vérifications expérimentales pouvant servir de tests prédictifs à sa théorie :

- L'inflation prédit que l'univers devrait être extrêmement plat. Quelle que soit la densité initiale de l'univers, que W = 2, 10, 10³ ou même 10^-6, l'inflation doit faire converger la densité vers W = 1. La précision serait même de 58 positions derrières la virgule ! Cette assertion est vérifiable car la densité d'un univers plat est en relation avec son taux d'expansion. A l'heure actuelle les résultats sont en accord avec cette prédiction, W = 1.

- La densité des perturbations produites durant l'inflation aurait affecté la distribution de matière dans l'univers et serait accompagnée d'ondes gravitationnelles. Ces ondes gravitationnelles et ces perturbations de densité seraient imprégnées dans le rayonnement micro-onde fossile. Cette non uniformité fut découverte par le satellite COBE et confirmée ultérieurement par plusieurs expériences.

Ces deux tests ne confirment pas la théorie inflationnaire mais ils réduisent le nombre de théories concurrentes qui toutes doivent à présents satisfaire ces deux tests expérimentaux. Aucune autre théorie ne peut aujourd'hui expliquer simultanément pourquoi l'univers est si homogène à grande échelle et présentait déjà des "rides" 300000 ans après le Big Bang. 

D'autres observations peuvent bien entendu contredire le modèle inflationnaire, comme le fait de découvrir que la densité de l'univers serait très éloignée de la densité critique. Il existe une solution mais elle est très complexe. D'un autre côté la théorie inflationnaire repose sur la théorie des particules élémentaires qui n'est pas une théorie complètement assise sur des bases définitives. La théorie des supercordes par exemple ne conduit pas automatiquement à l'inflation. Pour l'y contraindre les physiciens on besoin d'idées radicalement nouvelles. Mais la recherche continue. Linde discute avec ses collègues d'inflation naturelle, d'inflation hybride et de bien d'autres modèles. Chacun présente des détails qui doivent cependant être confrontés à l'expérience. Mais ils sont tous basés sur une seule et même idée, l'inflation chaotique.

Pour conclure l'introduction philosophique de ce dossier, une fois encore l'histoire des sciences confirme que l'homme est capable d'appréhender les questions métaphysiques d'hier. Reconnaissons qu'il s'agit d'une véritable révolution scientifique et intellectuelle qui se déroule aujourd'hui sous nos regards incrédules. Cette théorie nous prépare-t-elle à serrer la main du Créateur ? Hawking en tous cas le pense. Si d'un autre côté, pour expliquer l'étrangeté du monde, Linde n'hésitait pas à parler du principe anthropique dans les années 1980, il reconnaissait toutefois au milieu des années 1990 qu'il ne s'agissait pas d'une explication.

Je remercie le Dr Gary Felder, physicien théoricien de l'Université de Stanford et collaborateur du Pr Andrei Linde pour m'avoir apporté quelques éclaircissements pour la rédaction de ce dossier.

Pour plus d'information

Les publications d'Andrei Linde

Les publications d'Alan Guth

Le site web de John Gribbin

Le site web de Stephen Hawking

Open inflation by Neil Turok (DAMTP)

Alan Guth on inflation (IPAC/Level5)

Prospects of Inflationary Cosmology, Alan Guth

The transactional interpretation of quantum mechanics

Ci-dessous quelques ouvrages par ordre décroissant de complexité, bien qu'ils nécessitent tous un bagage minimum en astronomie et en physique (pouvoir définir un atome, une galaxie, un champ, ...). Veillez toujours à acquérir les éditions les plus récentes car les détails des théories cosmologiques évoluent sensiblement en l'espace d'une décennie.

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