Que s'est-il passé avant le Big Bang?

  • Joseph Norman
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: Producteur principal Aaron E. Lepsch (ADNET): Support technique Krystofer Kim (USRA): Animateur principal)

Au début, il y avait une petite boule de matière infiniment dense. Ensuite, tout a explosé, donnant naissance aux atomes, molécules, étoiles et galaxies que nous voyons aujourd'hui.

Ou du moins, c'est ce que les physiciens nous ont dit au cours des dernières décennies. 

Mais de nouvelles recherches en physique théorique ont récemment révélé une fenêtre possible sur le tout premier univers, montrant qu'il n'est peut-être pas «très tôt» après tout. Au lieu de cela, il peut s'agir simplement de la dernière itération d'un cycle de bang-bounce qui dure depuis ... enfin, au moins une fois, et peut-être pour toujours. 

Bien sûr, avant que les physiciens ne décident de lancer le Big Bang au profit d'un cycle bang-bounce, ces prédictions théoriques devront survivre à une vague de tests d'observation..

Cosmologies rebondissantes

Les scientifiques ont une très bonne image du tout premier univers, quelque chose que nous connaissons et aimons comme la théorie du Big Bang. Dans ce modèle, il y a longtemps, l'univers était beaucoup plus petit, beaucoup plus chaud et beaucoup plus dense qu'il ne l'est aujourd'hui. Dans ce premier brasier il y a 13,8 milliards d'années, tous les éléments qui font de nous ce que nous sommes se sont formés en l'espace d'une douzaine de minutes..

Même plus tôt, cette pensée va, à un moment donné, notre univers entier - toutes les étoiles, toutes les galaxies, tout le tout - avait la taille d'une pêche et avait une température de plus d'un quadrillion de degrés..

Étonnamment, cette histoire fantastique résiste à toutes les observations actuelles. Les astronomes ont tout fait, de l'observation des restes de rayonnement électromagnétique du jeune univers à la mesure de l'abondance des éléments les plus légers et ont constaté qu'ils correspondent tous à ce que le Big Bang prédit. Pour autant que nous puissions en juger, il s'agit d'un portrait fidèle de notre univers primitif.

Mais aussi bon soit-il, nous savons que l'image du Big Bang n'est pas complète - il manque une pièce du puzzle, et cette pièce est les premiers moments de l'univers lui-même..

C'est un assez gros morceau.

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La conflagration

Le problème est que la physique que nous utilisons pour comprendre l'univers primitif (un méli-mélo merveilleusement compliqué de relativité générale et de physique des particules à haute énergie) ne peut nous mener que si loin avant de s'effondrer. Alors que nous essayons de pousser de plus en plus profondément dans les premiers moments de notre cosmos, le calcul devient de plus en plus difficile à résoudre, jusqu'au point où il s'arrête..

Le signe principal que nous avons encore du terrain à explorer est la présence d'une «singularité», ou d'un point de densité infinie, au début du Big Bang. Pris au pied de la lettre, cela nous indique qu'à un moment donné, l'univers était entassé dans un point infiniment petit et infiniment dense. C'est évidemment absurde, et ce que cela nous dit vraiment, c'est que nous avons besoin d'une nouvelle physique pour résoudre ce problème - notre boîte à outils actuelle n'est tout simplement pas assez bonne.

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Pour sauver la situation, nous avons besoin d'une nouvelle physique, quelque chose qui soit capable de gérer la gravité et les autres forces, combinées, à des énergies ultra-élevées. Et c'est exactement ce que prétend être la théorie des cordes: un modèle de physique capable de gérer la gravité et les autres forces, combinées, à des énergies ultra-élevées. Ce qui signifie que la théorie des cordes prétend qu'elle peut expliquer les premiers moments de l'univers.

L'une des premières notions de théorie des cordes est l'univers «ekpyrotique», qui vient du mot grec pour «conflagration» ou feu. Dans ce scénario, ce que nous appelons le Big Bang a été déclenché par quelque chose d'autre qui s'est passé avant lui: le Big Bang n'était pas un début, mais une partie d'un processus plus large..

L'extension du concept ekpyrotique a conduit à une théorie, à nouveau motivée par la théorie des cordes, appelée cosmologie cyclique. Je suppose que, techniquement, l'idée de l'univers qui se répète continuellement est vieille de milliers d'années et est antérieure à la physique, mais la théorie des cordes a donné à l'idée une base mathématique solide. L'univers cyclique se déroule exactement comme vous pouvez l'imaginer, rebondissant continuellement entre big bangs et big crunchs, potentiellement pour l'éternité dans le temps et pour l'éternité dans le futur.

Avant le début

Aussi cool que cela puisse paraître, les premières versions du modèle cyclique avaient du mal à faire correspondre les observations - ce qui est un problème majeur lorsque vous essayez de faire de la science et pas seulement de raconter des histoires autour du feu de camp.. 

Le principal obstacle était d'être en accord avec nos observations du fond cosmique des micro-ondes, la lumière fossile qui restait lorsque l'univers n'avait que 380 000 ans. Bien que nous ne puissions pas voir directement au-delà de ce mur de lumière, si vous commencez théoriquement à bricoler la physique du cosmos infantile, vous affectez ce modèle de lumière rémanente..

Et donc, il semblait qu'un univers cyclique était une idée nette mais incorrecte.

Mais la torche ekpyrotique a été maintenue allumée au fil des ans, et un article publié en janvier dans la base de données arXiv a exploré les rides dans les mathématiques et découvert des opportunités précédemment manquées. Les physiciens, Robert Brandenberger et Ziwei Wang de l'Université McGill au Canada, ont découvert qu'au moment du «rebond», lorsque notre univers rétrécit à un point incroyablement petit et retourne à un état de Big Bang, il est possible de tout aligner pour obtenir le bon résultat testé par observation.

En d'autres termes, la physique compliquée (et, certes, mal comprise) de cette époque critique peut en effet permettre une vision radicalement révisée de notre temps et de notre place dans le cosmos..

Mais pour tester pleinement ce modèle, nous devrons attendre une nouvelle génération d'expériences de cosmologie, alors attendons pour sortir le champagne ekpyrotic.

Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de Demandez à un Spaceman et Radio spatiale, et auteur de Votre place dans l'univers.

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Publié à l'origine le .

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