Il y a un trou dans l'histoire de la naissance de notre univers. Tout d'abord, l'univers s'est gonflé rapidement, comme un ballon. Ensuite, tout a explosé.
Mais la façon dont ces deux périodes sont liées a échappé aux physiciens. Maintenant, une nouvelle étude suggère un moyen de relier les deux époques.
Dans la première période, l'univers est passé d'un point presque infiniment petit à près d'un octillion (c'est-à-dire un 1 suivi de 27 zéros) fois sa taille en moins d'un trillionième de seconde. Cette période d'inflation a été suivie d'une période d'expansion plus progressive, mais violente, que nous appelons le Big Bang. Pendant le Big Bang, une boule de feu incroyablement chaude de particules fondamentales - comme les protons, les neutrons et les électrons - s'est dilatée et refroidie pour former les atomes, les étoiles et les galaxies que nous voyons aujourd'hui.
La théorie du Big Bang, qui décrit l'inflation cosmique, reste l'explication la plus largement appuyée de la façon dont notre univers a commencé, mais les scientifiques sont toujours perplexes quant à la façon dont ces périodes d'expansion complètement différentes sont liées. Pour résoudre cette énigme cosmique, une équipe de chercheurs du Kenyon College, du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et de l'Université néerlandaise de Leiden ont simulé la transition critique entre l'inflation cosmique et le Big Bang - une période qu'ils appellent «réchauffement».
"La période de réchauffement post-inflationniste met en place les conditions du Big Bang et, dans un certain sens, met le 'bang' dans le Big Bang", a déclaré David Kaiser, professeur de physique au MIT, dans un communiqué. "C'est cette période de pont où tout l'enfer se déchaîne et la matière se comporte autrement que de manière simple."
Lorsque l'univers s'est étendu en un éclair d'une seconde pendant l'inflation cosmique, toute la matière existante s'est répandue, laissant à l'univers un endroit froid et vide, dépourvu de la soupe chaude de particules nécessaires pour enflammer le Big Bang. Pendant la période de réchauffement, l'inflation propulsant l'énergie se dégraderait en particules, a déclaré Rachel Nguyen, doctorante en physique à l'Université de l'Illinois et auteur principal de l'étude.
"Une fois que ces particules sont produites, elles rebondissent et se heurtent les unes aux autres, transférant impulsion et énergie", a déclaré Nguyen à Live Science. "Et c'est ce qui thermalise et réchauffe l'univers pour fixer les conditions initiales du Big Bang."
Dans leur modèle, Nguyen et ses collègues ont simulé le comportement de formes exotiques de matière appelées inflatons. Les scientifiques pensent que ces particules hypothétiques, de nature similaire au boson de Higgs, ont créé le champ d'énergie qui a conduit à l'inflation cosmique. Leur modèle a montré que, dans les bonnes conditions, l'énergie des inflatons pouvait être redistribuée efficacement pour créer la diversité des particules nécessaires au réchauffement de l'univers. Ils ont publié leurs résultats le 24 octobre dans la revue Physical Review Letters.
Un creuset pour la physique des hautes énergies
"Lorsque nous étudions le premier univers, ce que nous faisons vraiment est une expérience de particules à des températures très, très élevées", a déclaré Tom Giblin, professeur agrégé de physique au Kenyon College dans l'Ohio et co-auteur de l'étude. "La transition de la période d'inflation froide à la période chaude est celle qui devrait contenir des preuves clés quant aux particules qui existent réellement à ces énergies extrêmement élevées."
Une question fondamentale qui tourmente les physiciens est de savoir comment la gravité se comporte aux énergies extrêmes présentes pendant l'inflation. Dans la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, toute la matière serait affectée par la gravité de la même manière, où la force de gravité est constante quelle que soit l'énergie d'une particule. Cependant, en raison du monde étrange de la mécanique quantique, les scientifiques pensent qu'à des énergies très élevées, la matière réagit différemment à la gravité.
L'équipe a intégré cette hypothèse dans son modèle en modifiant la force d'interaction des particules avec la gravité. Ils ont découvert que plus ils augmentaient la force de gravité, plus les inflatons transféraient efficacement l'énergie pour produire le zoo de particules de matière chaude trouvées lors du Big Bang.
Maintenant, ils doivent trouver des preuves pour étayer leur modèle quelque part dans l'univers.
"L'univers contient tellement de secrets codés de manière très compliquée", a déclaré Giblin à Live Science. "C'est notre travail de découvrir la nature de la réalité en proposant un dispositif de décodage - un moyen d'extraire des informations de l'univers. Nous utilisons des simulations pour faire des prédictions sur ce à quoi l'univers devrait ressembler afin que nous puissions réellement commencer à le décoder." Cette période de réchauffement devrait laisser une empreinte quelque part dans l'univers. Il nous suffit de la retrouver. "
Mais trouver cette empreinte pourrait être délicat. Notre premier aperçu de l'univers est une bulle de rayonnement laissée par quelques centaines de milliers d'années après le Big Bang, appelée le fond cosmique micro-ondes (CMB). Pourtant, le CMB ne fait allusion à l'état de l'univers que pendant les premières secondes critiques de la naissance. Des physiciens comme Giblin espèrent que de futures observations d'ondes gravitationnelles fourniront les derniers indices.
