Modèle cyclique de l'Univers : la dégénérescence de la matière se produit à l'infini

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

Au début des années 2000, deux physiciens de l'université de Princeton ont proposé un modèle cosmologique, selon lequel le Big Bang n'est pas un événement unique, mais l'espace-temps existait bien avant la naissance de l'univers.

Dans le modèle cyclique, l'univers passe par un cycle d'auto-entretien infini. Dans les années 1930, Albert Einstein a avancé l'idée que l'univers peut connaître un cycle sans fin de big bangs et de grosses compressions. L'expansion de notre univers peut être le résultat de l'effondrement de l'univers antérieur. Dans le cadre de ce modèle, on peut dire que l'Univers renaît de la mort de son prédécesseur. Si c'est le cas, alors le Big Bang n'était pas quelque chose d'unique, c'est juste une explosion mineure parmi un nombre infini d'autres. La théorie cyclique ne remplace pas nécessairement la théorie du Big Bang, mais tente plutôt de répondre à d'autres questions: par exemple, que s'est-il passé avant le Big Bang et pourquoi le Big Bang a-t-il conduit à une période d'expansion rapide ?

L'un des nouveaux modèles cycliques de l'Univers a été proposé par Paul Steinhardt et Neil Turok en 2001. Steinhardt a décrit ce modèle dans son article, intitulé Le modèle cyclique de l'univers. Dans la théorie des cordes, une membrane, ou « brane », est un objet qui existe dans un certain nombre de dimensions. Selon Steinhardt et Turok, les trois dimensions spatiales que nous voyons correspondent à ces branes. Deux branes 3D peuvent exister en parallèle, séparées par une dimension cachée supplémentaire. Ces branes - on peut les considérer comme des plaques de métal - peuvent se déplacer le long de cette dimension supplémentaire et entrer en collision les unes avec les autres, créant le Big Bang, et donc des univers (comme le nôtre). Lorsqu'ils entrent en collision, les événements se déroulent selon le modèle standard du Big Bang: de la matière chaude et du rayonnement sont créés, une inflation rapide se produit, puis tout se refroidit - et des structures telles que des galaxies, des étoiles et des planètes se forment. Cependant, Steinhardt et Turok soutiennent qu'il y a toujours une certaine interaction entre ces branes, qu'ils appellent inter-branes: cela les rapproche, les faisant entrer en collision à nouveau et produire le prochain Big Bang.

Le modèle de Steinhardt et Turok remet néanmoins en question certaines des hypothèses du modèle du Big Bang. Par exemple, selon eux, le Big Bang n'était pas le début de l'espace et du temps, mais plutôt une transition d'une phase antérieure de l'évolution. Si nous parlons du modèle du Big Bang, alors il est dit que cet événement a marqué le début immédiat de l'espace et du temps en tant que tels. De plus, dans ce cycle de collisions de branes, la structure à grande échelle de l'Univers doit être déterminée par la phase de compression: c'est-à-dire avant qu'elles n'entrent en collision et que le prochain Big Bang ne se produise. Selon la théorie du Big Bang, la structure à grande échelle de l'univers est déterminée par une période d'expansion rapide (inflation), qui a eu lieu peu de temps après l'explosion. De plus, le modèle du Big Bang ne prédit pas combien de temps l'univers existera, et dans le modèle de Steinhardt, la durée de chaque cycle est d'environ mille milliards d'années.

L'avantage du modèle cyclique de l'Univers est que, contrairement au modèle du Big Bang, il peut expliquer ce qu'on appelle la constante cosmologique. L'amplitude de cette constante est directement liée à l'expansion accélérée de l'Univers: elle explique pourquoi l'espace s'étend si rapidement. D'après les observations, la valeur de la constante cosmologique est très faible. Jusqu'à récemment, on pensait que sa valeur était inférieure de 120 ordres de grandeur à celle prédite par la théorie standard du Big Bang. Cette différence entre l'observation et la théorie a longtemps été l'un des plus gros problèmes de la cosmologie moderne. Cependant, il n'y a pas si longtemps, de nouvelles données ont été obtenues sur l'expansion de l'Univers, selon lesquelles il se développe plus rapidement qu'on ne le pensait auparavant. Il reste à attendre de nouvelles observations et confirmation (ou réfutation) des données déjà obtenues.

Steven Weinberg, lauréat du prix Nobel 1979, tente d'expliquer la différence entre observer et prédire un modèle en utilisant le principe dit anthropique. Selon lui, la valeur de la constante cosmologique est aléatoire et diffère selon les différentes parties de l'Univers. Nous ne devrions pas être surpris de vivre dans une zone si rare où nous observons une petite valeur de cette constante, car ce n'est qu'avec cette valeur que les étoiles, les planètes et la vie peuvent se développer. Certains physiciens, cependant, ne sont pas satisfaits de cette explication en raison du manque de preuves que cette valeur est différente dans d'autres régions de l'Univers observable.

Un modèle similaire a été développé par le physicien américain Larry Abbott dans les années 1980. Cependant, dans son modèle, la diminution de la constante cosmologique à des valeurs faibles était si longue que toute la matière de l'Univers sur une telle période se disperserait dans l'espace, le laissant en fait vide. Selon le modèle cyclique de l'Univers de Steinhardt et Turok, la raison pour laquelle la valeur de la constante cosmologique est si petite est qu'elle était initialement très grande, mais au fil du temps, à chaque nouveau cycle, elle diminuait. En d'autres termes, à chaque grande explosion, la quantité de matière et de rayonnement dans l'Univers est "réduite à zéro", mais pas la constante cosmologique. Sur de nombreux cycles, sa valeur a baissé, et aujourd'hui on observe exactement cette valeur (5, 98 x 10-10 J/m3).

Dans une interview, Neil Turok a parlé de son modèle et de celui de Steinhardt de l'univers cyclique comme suit:

« Nous avons proposé un mécanisme dans lequel la théorie des supercordes et la théorie M (nos meilleures théories combinées de la gravité quantique) permettent à l'univers de traverser le Big Bang. Mais pour comprendre si notre hypothèse est pleinement cohérente, des travaux théoriques supplémentaires sont nécessaires. »

Les scientifiques espèrent qu'avec le développement de la technologie, il sera possible de tester cette théorie avec d'autres. Ainsi, selon le modèle cosmologique standard (ΛCDM), une période connue sous le nom d'inflation a suivi peu de temps après le Big Bang, qui a rempli l'univers d'ondes gravitationnelles. En 2015, un signal d'onde gravitationnelle a été enregistré, dont la forme a coïncidé avec la prédiction de la Relativité Générale pour la fusion de deux trous noirs (GW150914). En 2017, les physiciens Kip Thorne, Rainer Weiss et Barry Barish ont reçu le prix Nobel pour cette découverte. Également par la suite, des ondes gravitationnelles ont été enregistrées émanant de l'événement de la fusion de deux étoiles à neutrons (GW170817). Cependant, les ondes gravitationnelles de l'inflation cosmique n'ont pas encore été enregistrées. De plus, Steinhardt et Turok notent que si leur modèle est correct, alors de telles ondes gravitationnelles seront trop petites pour être "détectées".