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Science

BICEP2 : que signifient les résultats?

Par Marine Corniou - 22/05/2014
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Le télescope BICEP2 aurait détecté les traces d'ondes gravitationnelles primitives, comme le souligne notre article Un message venu du big bang. Comment interpréter cette découverte? Les physiciens ne sont pas tous d'accord...

Le «décodage» du message détecté par BICEP2 promet de susciter bien des débats, car les physiciens sont loin de tous avoir la même interprétation du signal. Que peut-on en conclure sur la nature de l’inflation? Sur les forces physiques en jeu? Qu’est-ce que cela nous indique sur la formation de la matière, en particulier de la matière noire? Et enfin, le signal est-il compatible avec la théorie des cordes, ou avec les univers multiples?

«Ce qui est sûr, toutefois, c’est que cela ouvre une nouvelle fenêtre sur ce qui s’est passé dans la minuscule fraction de seconde qui a suivi la naissance de l’Univers, a résumé John Kovac lors de la conférence de presse du 17 mars. Ces mesures nous en apprennent beaucoup sur la physique des frontières extrêmes, qui se produit à des énergies immenses.» Voilà qui ouvre assurément un nouveau chapitre de la cosmologie et de la physique fondamentale.


Ce que ces travaux nous disent sur l’inflation:

L’existence de l’inflation est de loin la théorie la plus répandue en cosmologie. Elle a été imaginée par le physicien états-unien Alan Guth en 1979, pour résoudre plusieurs problèmes posés par la théorie du big-bang, dont la présupposée homogénéité initiale de l’Univers, et sa «platitude». Bref, pour ces raisons, et pour d’autres plus complexes encore, la théorie de l’inflation est bien pratique. Elle suggère que, une fraction de seconde après le big-bang, l’Univers très dense et minuscule (condensé dans moins de 1 cm3) a subi une expansion exponentielle, très violente. Puis, l’expansion se serait poursuivie sous la forme d’une dilatation beaucoup plus lente que l’on observe encore aujourd’hui.

Mais voilà, ce n’est qu’une théorie et on n’en connaît aucun détail; ou presque.
«Depuis une quinzaine d’années, de nombreux indices sont venus appuyer la thèse de l’inflation. Mais comme il y a des tonnes d’inconnues, les physiciens ont dû concevoir des tonnes de modèles différents! Ces nouveaux résultats sur les ondes gravitationnelles nous permettent de réduire de façon significative le nombre de modèles possibles d’inflation», expliquait le physicien Marc Kamionkowski lors de la présentation des données.

En fait, le signal observé (son amplitude et sa force) renseigne les physiciens sur le niveau d’énergie auquel a pu se produire l’inflation. Or, les modèles «inflationnaires» ont été conçus pour un large éventail d’énergies. «BICEP2 a mesuré une grande quantité de signaux, avec une amplitude qui suggère que le niveau d’énergie de l’inflation était très élevé, proche de ce qu’on appelle l’échelle de grande unification», commente David Marsh, cosmologiste à l’Institut Périmètre de physique théorique, à Waterloo en Ontario. L’information est donc précieuse. «Les mesures suggèrent en effet que l’inflation a un lien avec l’unification des forces électromagnétiques faibles et fortes, à des énergies qui sont mille milliards de fois supérieures à celles que l’on peut obtenir dans l’accélérateur du Centre européen de physique des particules (CERN) à Genève», a précisé Marc Kamionkowski. Voilà qui devrait aider les scientifiques à mieux cerner les forces à l’origine de cette foudroyante expansion.

Ce que ces travaux nous disent sur les autres théories:

À la suite de l’annonce des observations de BICEP2, Andrei Linde, professeur de physique à l’université Stanford et pionnier de la théorie de l’inflation, s’est empressé de déclarer: «Si l’inflation est là, alors le multivers aussi.» Notre cosmos ne serait ainsi qu’un monde perdu dans le multivers, ce super-univers composé d’une infinité d’univers parallèles. Il faut dire que ce chercheur a mis sur pied un modèle d’inflation éternelle (ou «inflation chaotique») qui suppose que, au moment de l’inflation, certaines régions du cosmos se sont étirées plus rapidement que d’autres. Résultat? La création de «bulles» d’espace-temps, qui ont à leur tour subi des inflations, un peu comme une mousse savonneuse dont les bulles se multiplient, disparaissent et se reproduisent. Autrement dit, l’Univers serait un ensemble de bulles juxtaposées, chacune régie par ses propres lois physiques et pouvant donner naissance à d’autres univers. Pour l’instant, toutefois, les ondes gravitationnelles sont loin de lever le voile sur le multivers.

Robert Brandenberger, cosmologiste à l’Université McGill, le dit sans détour: «Je ne suis pas du tout d’accord avec Andrei Linde.» Le Montréalais fait partie des physiciens qui réfutent l’existence même de l’inflation. «Les résultats de BICEP2 ne confirment pas l’inflation, contrairement à ce qu’ont annoncé beaucoup de médias et de scientifiques, indique-t-il. Il y a plusieurs théories de l’Univers primordial, et certaines d’entres elles, qui ne sont pas fondées sur l’inflation, prévoient tout de même l’existence d’ondes gravitationnelles.» C’est le cas de sa propre théorie, développée avec un chercheur de l’université Harvard et née de l’application de la théorie des cordes à la cosmologie de l’Univers primordial (dans la théorie des cordes, les constituants de l’Univers ne sont pas des particules élémentaires, mais plutôt de minuscules cordes capables de s’étirer et de vibrer). «Les résultats de BICEP2 sont tout à fait en accord avec ma théorie, qui fait intervenir des “gaz de cordes”», se réjouit-il. Le débat ne fait que commencer!


Ce que ces travaux nous disent sur la matière noire:

Quelques jours après l’annonce des résultats de BICEP2, David Marsh et son équipe, de l’Institut Périmètre de physique théorique ont publié en ligne un article détaillant les conséquences de cette découverte sur la matière noire. «Nous ne connaissons toujours pas la nature et l’origine de la matière noire qui constitue le quart de l’Univers. Plusieurs options sont possibles: un, la matière noire n’existait pas au moment de l’inflation; deux, il y avait très peu de matière noire durant l’inflation; et trois, l’inflation ne s’est pas produite à très haute énergie. Ce qui vient d’être découvert permet d’éliminer la troisième option», explique le physicien (dont toute l'entrevue est disponible ici). En disposant de plus d’information sur l’énergie de l’inflation, les chercheurs peuvent, ici aussi, resserrer l’étau autour des pistes plausibles. «De notre côté, on s’intéresse spécifiquement à des particules nommées axions qui sont des constituants potentiels de la matière noire», précise David Marsh. Ces axions ont-ils été produits après l’inflation? Constituent-ils toute la matière noire ou n’en sont-ils qu’une fraction?

Le physicien espère que les ondes gravitationnelles observées pourront apporter, indirectement, certains éléments de réponse.

Lire l'article dans notre numéro de juin-juillet 2014

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