Que s’est-il passé avant le Big Bang?

Que s’est-il passé avant le Big Bang?

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Que s'est-il passé avant le Big Bang?

Illustration d’un artiste montrant les modèles de signaux générés par les horloges standard primordiales dans différentes théories de l’univers primordial. En haut: Big Bounce. En bas: l’inflation. Crédit: CfA / Zhong-Zhi Xianyu, Xingang Chen, Avi Loeb

Une équipe de scientifiques a proposé un nouveau test puissant pour l’inflation, la théorie selon laquelle l’univers s’est considérablement étendu en une fraction de seconde fugitive juste après le Big Bang. Leur objectif est de donner un aperçu d’une question de longue date: à quoi ressemblait l’univers avant le Big Bang?


Bien que l’inflation cosmique soit bien connue pour résoudre certains mystères importants sur la structure et l’évolution de l’univers, d’autres théories très différentes peuvent également expliquer ces mystères. Dans certaines de ces théories, l’état de l’univers précédant le Big Bang – le soi-disant univers primordial – se contractait au lieu de s’étendre, et le Big Bang faisait donc partie d’un Big Bounce.

Pour aider à décider entre l’inflation et ces autres idées, la question de la falsifiabilité – c’est-à-dire si une théorie peut être testée pour montrer qu’elle est fausse – s’est inévitablement posée. Certains chercheurs, dont Avi Loeb du Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) à Cambridge, Mass., Ont soulevé des inquiétudes au sujet de l’inflation, suggérant que son adaptabilité apparemment sans fin la rend presque impossible à tester correctement.

« La falsifiabilité devrait être la marque de toute théorie scientifique. La situation actuelle de l’inflation est que c’est une idée tellement flexible qu’elle ne peut pas être falsifiée expérimentalement », a déclaré Loeb. « Peu importe la valeur que les gens mesurent pour un attribut observable, il existe toujours des modèles d’inflation qui peuvent l’expliquer. »

Maintenant, une équipe de scientifiques dirigée par Xingang Chen du CfA, avec Loeb et Zhong-Zhi Xianyu du Département de physique de l’Université de Harvard, ont appliqué une idée qu’ils appellent une « horloge standard primordiale » aux théories non inflationnistes, et a présenté une méthode qui peut être utilisée pour falsifier l’inflation expérimentalement. L’étude paraîtra dans Lettres d’examen physique comme suggestion des éditeurs.

Dans un effort pour trouver une caractéristique qui peut séparer l’inflation des autres théories, l’équipe a commencé par identifier la propriété déterminante des différentes théories – l’évolution de la taille de l’univers primordial.

« Par exemple, pendant l’inflation, la taille de l’univers augmente de façon exponentielle », a déclaré Xianyu. « Dans certaines théories alternatives, la taille de l’univers se contracte. Certains le font très lentement, tandis que d’autres le font très rapidement.

« Les attributs que les gens ont proposé jusqu’à présent pour mesurer ont généralement du mal à distinguer les différentes théories car ils ne sont pas directement liés à l’évolution de la taille de l’univers primordial », a-t-il poursuivi. « Donc, nous voulions trouver quels sont les attributs observables qui peuvent être directement liés à cette propriété de définition. »

Les signaux générés par l’horloge standard primordiale peuvent servir un tel objectif. Cette horloge est n’importe quel type de particule élémentaire lourde dans l’univers primordial. De telles particules devraient exister dans n’importe quelle théorie et leurs positions devraient osciller à une fréquence régulière, un peu comme le tic-tac du pendule d’une horloge.

L’univers primordial n’était pas entièrement uniforme. Il y avait de minuscules irrégularités de densité à de minuscules échelles qui sont devenues les germes de la structure à grande échelle observée dans l’univers d’aujourd’hui. Il s’agit de la principale source d’informations sur laquelle les physiciens comptent pour se renseigner sur ce qui s’est passé avant le Big Bang. Les tics de l’horloge standard ont généré des signaux qui ont été imprimés dans la structure de ces irrégularités. Les horloges standard dans différentes théories de l’univers primordial prédisent différents modèles de signaux, car les histoires évolutives de l’univers sont différentes.

« Si nous imaginons toutes les informations que nous avons apprises jusqu’à présent sur ce qui s’est passé avant le Big Bang dans un rouleau d’images de film, alors l’horloge standard nous indique comment ces images doivent être lues », a expliqué Chen. « Sans aucune information d’horloge, nous ne savons pas si le film doit être joué en avant ou en arrière, rapide ou lent, tout comme nous ne savons pas si l’univers primordial se gonflait ou se contractait, et à quelle vitesse il l’a fait. C’est là que le problème réside. L’horloge standard a mis des horodatages sur chacune de ces images lorsque le film a été tourné avant le Big Bang, et nous dit comment jouer le film. « 

L’équipe a calculé à quoi devraient ressembler ces signaux d’horloge standard dans les théories non inflationnistes et a suggéré comment les rechercher dans les observations astrophysiques. « Si un motif de signaux représentant un univers en contraction était trouvé, cela fausserait toute la théorie inflationniste », a expliqué Xianyu.

Le succès de cette idée réside dans l’expérimentation. « Ces signaux seront très subtils à détecter », a déclaré Chen, « et nous devrons donc peut-être chercher dans de nombreux endroits différents. Le rayonnement de fond des micro-ondes cosmiques en est un, et la distribution des galaxies en est un autre. Nous avons déjà commencé à recherchez ces signaux et il y a déjà des candidats intéressants, mais nous avons besoin de plus de données. « 

De nombreuses futures enquêtes sur les galaxies, telles que le LSST américain, l’Euclide européen et le projet récemment approuvé par la NASA, SphereX, devraient fournir des données de haute qualité pouvant être utilisées pour atteindre cet objectif.

La préimpression de ce document est disponible sur: arxiv.org/abs/1809.02603. Un travail antérieur connexe peut être trouvé dans: arxiv.org/abs/1509.03930.


Les théoriciens proposent une nouvelle méthode pour sonder le début de l’univers


Plus d’information:
Empreintes digitales uniques d’alternatives à l’inflation dans le spectre de puissance primordial, arXiv: 1809.02603 [astro-ph.CO] arxiv.org/abs/1809.02603

Xingang Chen et al. Empreintes digitales uniques d’alternatives à l’inflation dans le spectre de puissance primordial, Lettres d’examen physique (2019). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.122.121301, journals.aps.org/prl/abstract/… ysRevLett.122.121301

Fourni par
Centre Harvard-Smithsonian d’astrophysique

Citation:
Que s’est-il passé avant le Big Bang? (2019, 26 mars)
récupéré le 15 juillet 2020
depuis https://phys.org/news/2019-03-big.html

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