Comment l’univers a-t-il commencé ? Avons-nous commencé par un big bang ou y a-t-il eu un rebond ? Le cosmos pourrait-il évoluer dans un cycle d’expansion et d’effondrement, encore et encore pour l’éternité ? Maintenant, dans deux articles, des chercheurs ont creusé des trous dans différents modèles d’un soi-disant univers rebondissant, suggérant que l’univers que nous voyons autour de nous est probablement une proposition unique.
Les partisans de l’univers rebondissant soutiennent que notre cosmos n’a pas émergé de lui-même à partir de rien. Au lieu de cela, affirment les partisans, un univers antérieur s’est rétréci sur lui-même puis a reconstitué celui dans lequel nous vivons. Cela peut s’être produit une fois ou, selon certaines théories, un nombre infini de fois.
Alors, quel scénario est correct ? L’explication la plus largement acceptée de l’histoire de l’univers la fait commencer par un big bang, suivi d’une période d’expansion rapide connue sous le nom d’inflation cosmique. Selon ce modèle, la lueur laissée par le temps où l’univers était chaud et jeune, appelée le fond cosmique micro-ondes (CMB), devrait être à peu près la même quelle que soit la direction dans laquelle vous faites face. Mais les données de l’observatoire spatial Planck, qui a cartographié le CMB de 2009 à 2013, ont montré des variations inattendues du rayonnement micro-ondes. Il pourrait s’agir de fluctuations statistiques insignifiantes de la température de l’univers, ou elles pourraient être des signes de quelque chose d’intéressant en cours.
Une possibilité est que les anomalies CMB impliquent que l’univers n’est pas sorti de rien. Au lieu de cela, il s’est produit après qu’un univers antérieur s’est effondré et a rebondi pour créer l’espace et le temps dans lesquels nous vivons aujourd’hui.
Les modèles d’univers rebondissants peuvent expliquer ces modèles de CMB ainsi que tenir compte des arguties persistantes sur la description standard de l’origine et de l’évolution de l’univers. En particulier, le modèle du big bang de l’univers commence par une singularité – un point qui est apparu à partir de rien et contenait les précurseurs de tout dans l’univers dans une région si petite qu’elle n’avait pratiquement aucune taille du tout. L’idée est que l’univers s’est développé à partir de la singularité et, après l’inflation, s’est installé dans l’univers en expansion plus progressive que nous voyons aujourd’hui. Mais les singularités sont problématiques parce que la physique, et les mathématiques elles-mêmes, n’ont pas de sens quand tout est regroupé en un point infiniment petit. De nombreux physiciens préfèrent éviter les singularités.
Un modèle de rebond qui évite les singularités et rend les anomalies CMB un peu moins anormales est connu sous le nom de cosmologie quantique en boucle (LQC). Il s’appuie sur un pont entre la physique classique et la mécanique quantique connue sous le nom de gravitation quantique en boucle, qui postule que la force de gravité s’épuise à de très petites distances plutôt que d’augmenter à l’infini. “Les modèles cosmologiques inspirés de la gravitation quantique en boucle peuvent résoudre certains problèmes”, explique la cosmologiste de l’Université de Genève Ruth Durrer, “en particulier le problème de la singularité”. Durrer est co-auteur de l’une des deux nouvelles études sur les univers rebondissants. Dans ce document, elle et ses collègues ont recherché des signes astronomiques de tels modèles.
Dans un modèle LQC, un précurseur de notre univers aurait pu se contracter sous la force de gravité jusqu’à devenir extrêmement compact. Finalement, la mécanique quantique aurait pris le dessus. Au lieu de s’effondrer en une singularité, l’univers aurait recommencé à se développer et aurait même traversé une phase d’inflation, comme de nombreux cosmologistes pensent que le nôtre l’a fait.
Si cela s’est produit, dit le physicien Ivan Agullo de la Louisiana State University, cela aurait dû laisser une marque sur l’univers. Agullo, qui n’était affilié à aucune des analyses récentes, a proposé que la marque apparaîtrait dans une caractéristique des données CMB connue sous le nom de «bispectre», une mesure de la façon dont différentes parties de l’univers auraient interagi dans un rebondissement. scénario. Le bispectre ne serait pas apparent dans une image du CMB, mais il apparaîtrait dans les analyses des fréquences des anciens micro-ondes du CMB.
“S’il était observé”, dit Agullo, le bispectre “servirait de preuve irréfutable de l’existence d’un rebond au lieu d’un bang”. Le groupe d’Agullo avait précédemment calculé le bispectre tel qu’il serait apparu peu de temps après un rebond cosmique. Durrer et ses collègues ont poussé le calcul plus loin, mais lorsqu’ils l’ont comparé aux données actuelles de Planck CMB, il n’y avait aucun signe significatif d’une empreinte bispectre.
Bien que de nombreux autres modèles de cosmos rebondissant puissent encore être viables, l’incapacité à trouver un bispectre significatif signifie que les modèles qui s’appuient sur le LQC pour traiter les anomalies du CMB peuvent être exclus. C’est un triste résultat pour Agullo, qui avait de grands espoirs de trouver des preuves concrètes d’un univers rebondissant. Mais Paola Delgado, titulaire d’un doctorat en cosmologie. candidat à l’Université Jagellonne en Pologne, qui a travaillé sur la nouvelle analyse co-écrite par Durrer, dit qu’il y a un avantage potentiel. “J’ai entendu dire pendant longtemps que [les tentatives de fusion de la physique quantique et de la cosmologie] ne peuvent pas être testées”, déclare Delgado. “Je pense que c’était vraiment agréable de voir que pour certaines classes de modèles, vous avez encore un certain contact avec les observations.”
L’exclusion des signes d’un rebond cosmique induit par le LQC dans les données de Planck signifie que les anomalies du CMB restent inexpliquées. Mais un problème cosmique encore plus vaste persiste : l’univers a-t-il eu un début ? En ce qui concerne les partisans du big bang, c’est le cas. Mais cela nous laisse avec la singularité impénétrable qui a tout déclenché.
Alternativement, selon les théories des cosmologies dites cycliques, l’univers est immortel et subit des rebonds sans fin. Bien qu’un univers rebondissant puisse connaître un ou plusieurs cycles, un univers véritablement cyclique n’a ni début ni fin. Il consiste en une série de rebonds qui remontent pendant un nombre infini de cycles et continueront pendant un nombre infini de plus. Et parce qu’un tel univers n’a pas de commencement, il n’y a pas de big bang ni de singularité.
L’étude co-écrite par Durrer et Delgado n’exclut pas les cosmologies cycliques immortelles. De nombreuses théories décrivent un tel univers rebondissant d’une manière qu’il serait difficile, voire impossible, de distinguer du modèle «big bang plus inflation» en examinant les données de Planck CMB.
Mais une faille critique se cache dans l’idée d’un univers éternellement cyclable, selon le physicien William Kinney de l’Université de Buffalo, co-auteur de la deuxième analyse récente. Ce défaut est l’entropie, qui s’accumule au fur et à mesure que l’univers rebondit. Souvent considérée comme la quantité de désordre dans un système, l’entropie est liée à la quantité d’énergie utile du système : plus l’entropie est élevée, moins il y a d’énergie disponible. Si l’univers augmente en entropie et en désordre à chaque rebond, la quantité d’énergie utilisable disponible diminue à chaque fois. Dans ce cas, le cosmos aurait eu de plus grandes quantités d’énergie utile à des époques antérieures. Si vous extrapolez assez loin en arrière, cela implique un début semblable à un big bang avec une quantité infiniment petite d’entropie, même pour un univers qui passe ensuite par des rebonds cycliques. (Si vous vous demandez comment ce scénario ne viole pas la loi de conservation de l’énergie, nous parlons d’énergie disponible. Bien que la quantité totale d’énergie dans le cosmos reste statique, la quantité qui peut faire un travail utile diminue avec l’augmentation entropie.)
Les nouveaux modèles cycliques contournent le problème, dit Kinney, en exigeant que l’univers se dilate beaucoup à chaque cycle. L’expansion permet à l’univers de se lisser, dissipant l’entropie avant de s’effondrer à nouveau. Bien que cette explication résolve le problème d’entropie, Kinney et sa co-auteure de l’Université de Buffalo, Nina Stein, ont calculé dans leur récent article que la solution elle-même garantit que l’univers n’est pas immortel. “J’ai l’impression que nous avons démontré quelque chose de fondamental à propos de l’univers”, dit Kinney, “c’est qu’il a probablement eu un début.” Cela implique qu’un big bang s’est produit à un moment donné, même si cet événement s’est produit il y a de nombreux univers rebondissants, ce qui suggère à son tour qu’il a fallu une singularité pour que tout se passe en premier lieu.
L’article de Kinney est le dernier dans le débat sur les univers cycliques, mais les partisans d’un univers sans début ni fin n’ont pas encore répondu dans la littérature scientifique. Deux principaux partisans d’un univers cyclique, les astrophysiciens Paul Steinhardt de l’Université de Princeton et Anna Ijjas de l’Université de New York, ont refusé de commenter cet article. Si l’histoire du débat est une indication, cependant, nous pourrions bientôt entendre parler d’une solution de contournement pour contrer l’analyse de Kinney.
Le cosmologue Nelson Pinto-Neto du Centre brésilien de recherche en physique, qui a étudié le rebond et d’autres modèles cycliques, convient que les données de Planck excluent probablement un rebond dans la cosmologie quantique en boucle, mais il est plus optimiste sur la question d’un univers cyclique. « L’existence est un fait. Nous sommes tous ici et maintenant. La non-existence est une abstraction de l’esprit humain », dit Nelson. « C’est la raison pour laquelle je pense qu’un [univers cyclique], qui a toujours existé, est plus simple qu’un qui a été créé. Cependant, en tant que scientifique, je dois être ouvert aux deux possibilités.
