L’époque inflationniste qui a provoqué l’expansion rapide de notre univers à ses débuts pourrait être liée à l’ère moderne de l’énergie sombre, grâce à une composante fantôme du cosmos qui modifie la force de gravité au fur et à mesure de l’évolution de l’univers, propose un physicien dans un nouvel article.
L’approche traditionnelle pour comprendre la gravité fait appel à la célèbre théorie de la relativité générale d’Einstein. Pour une idée aussi puissante, qui peut tout expliquer, de l’orbite de la lune à l’évolution de l’univers entier, il s’agit d’un concept assez simple. Dans la relativité générale, il n’y a que l’espace-temps et son contenu. Le contenu du cosmos fait plier et déformer l’espace-temps, et la flexion et la déformation de l’espace-temps dictent la façon dont le contenu doit se déplacer.
Par exemple, la présence d’une planète déforme l’espace-temps autour d’elle, entraînant d’autres objets à suivre des orbites, ou les distorsions causées par une étoile peuvent dévier la trajectoire de la lumière qui passe.
Bien que la relativité générale soit l’approche la plus simple de la gravité, elle n’est pas la seule. Une autre approche, connue sous le nom de théories scalaires-tensorielles, remonte au début des années 1960 et est l’œuvre des physiciens Robert Dicke et Carl Brans, ce qui lui vaut parfois le nom de théorie Brans-Dicke.
Dans les théories scalaires-tensorielles, outre l’espace-temps et son contenu, il existe un troisième ingrédient, appelé champ scalaire. Le champ scalaire absorbe tout l’espace-temps, et son seul rôle est de modifier la force de la gravité d’un endroit à l’autre ou d’un moment à l’autre. Dans la relativité générale de la vanille, la force de gravité est fixe ; il s’agit simplement de la constante gravitationnelle de Newton, pour toujours et à jamais. Peu importe où et quand vous vous trouvez dans l’univers, une quantité donnée de masse et d’énergie déformera toujours l’espace-temps exactement de la même manière.
Mais dans les théories scalaires-tensorielles, cela peut changer. Une planète située d’un côté de l’univers peut avoir un impact plus ou moins fort sur l’espace-temps qui l’entoure, en fonction de la valeur locale du champ scalaire. La force de la gravité peut également changer avec le temps, si le champ scalaire lui-même évolue.
Réglage du cosmos
Expérimentalement, les théories de la relativité générale et du tenseur scalaire sont équivalentes. La relativité générale a franchi tous les obstacles expérimentaux qu’on lui a lancés. Mais si vous prenez une théorie scalaire-tensorielle et supposez simplement que votre champ scalaire a une valeur constante égale à la constante de Newton, vous obtenez également les mêmes résultats. Mais comme la relativité générale est beaucoup plus simple que les théories scalaires-tensorielles et qu’il n’existe aucun moyen connu de les distinguer, les physiciens préfèrent la théorie classique d’Einstein.
Sauf qu’il y a un petit problème : l’énergie sombre. Selon les observations, l’expansion de l’univers s’accélère, mais à un rythme très lent. La seule façon d’en tenir compte dans la relativité générale est d’inclure une constante cosmologique, une valeur supplémentaire dans les équations qui a une valeur incroyablement petite, mais pas tout à fait nulle. Cette caractéristique de la constante cosmologique dérange la plupart des physiciens car elle semble incroyablement artificielle. Si l’énergie sombre avait presque n’importe quelle autre valeur, l’expansion du cosmos aurait déchiré le cosmos il y a longtemps, le laissant incapable d’accueillir la vie (y compris toute personne pouvant l’observer), et pourtant elle n’est pas parfaitement nulle non plus.
« Ajouter des valeurs supplémentaires aux équations » ressemble beaucoup aux théories scalaires-tensorielles. Ainsi, depuis que les astronomes ont découvert l’énergie sombre à la fin des années 1990, les physiciens s’efforcent de voir s’il existe un moyen potentiel pour ce modèle de gravité longtemps écarté d’expliquer plus naturellement l’expansion accélérée.
Curieusement, l’époque actuelle n’est pas la seule où l’expansion de l’univers s’est emballée. Les cosmologistes pensent que très tôt dans le Big Bang, l’univers a connu une période d’expansion extrêmement rapide appelée inflation. Vous pourriez vous demander s’il existe un lien entre la période précoce d’inflation et la période moderne d’énergie sombre, et vous n’êtes pas le seul.
Des fils gravitationnels
Aujourd’hui, Motohiko Yoshimura, physicien à l’Institut de recherche pour la science interdisciplinaire de l’université d’Okayama, au Japon, a proposé que les théories du tenseur scalaire établissent un lien direct entre l’inflation et l’énergie sombre.
Dans ce modèle, décrit dans un article publié dans la base de données de préimpression arXiv, le champ scalaire de la théorie du tenseur scalaire (le « tenseur » fait référence à l’espace-temps lui-même) est beaucoup plus fort dans l’univers primitif, ce qui déclenche l’époque de l’inflation. À la fin de l’inflation, le champ scalaire s’affaiblit et libère son énergie sous la forme de toutes les particules du modèle standard (comme les quarks et les électrons).
Il est important de noter que le champ scalaire ne disparaît jamais. Il maintient une certaine présence de fond alors que l’univers continue d’évoluer, formant entre-temps des étoiles et des galaxies. Puis, après que l’expansion cosmique a dilué toute la matière jusqu’à un niveau suffisamment bas, le champ scalaire intervient à nouveau, mais à un niveau beaucoup plus faible, donnant naissance à l’ère actuelle de l’énergie sombre.
Mais si l’histoire est intrigante, les astronomes doivent encore vérifier cette hypothèse. Heureusement, ce modèle produit un grand nombre de reliques potentiellement observables de l’univers primitif. Par exemple, dans ce scénario, la gravité peut être si forte à certains endroits que des trous noirs se forment spontanément et survivent jusqu’à nos jours. Trouver des preuves de l’existence de ces trous noirs primordiaux contribuerait à conforter cette idée.
Une autre approche consiste à rechercher les ondes gravitationnelles de l’univers primitif qui sont laissées en arrière lorsque l’inflation est terminée. Les astronomes peuvent rechercher ces ondes gravitationnelles soit directement, en essayant de les détecter dans le faible bruit de fond de l’univers, soit par leur influence sur ce qu’on appelle le fond diffus cosmologique.
Les physiciens savent que l’énergie sombre et l’inflation représentent les limites actuelles de nos connaissances, et seules des suggestions radicales comme celle-ci – et les expériences qui les accompagnent – nous aideront à dépasser ces limites.
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