Cosmologie ekpyrotique contre inflation : le match continue !

La théorie M est une extension de la théorie des cordesthéorie des cordes contenant des objets que l'on appelle des membranes. Bien que les équations fondamentales décrivant la théorie M ne soient pas connues, on dispose tout de même de quelques règles de calculs et de quelques relations mathématiques.

S'il s'agit bien de la bonne approche pour une théorie de la gravitation quantiquegravitation quantique, alors l'un des tests de sa validité les plus faciles à mettre en œuvre doit se trouver en cosmologie, plus précisément au niveau de ce qu'on appelle la singularité du modèle standard du Big BangBig Bang.

Il peut sembler présomptueux d'utiliser une théorie pas encore vraiment comprise ni définie pour faire des prédictions au sujet d'un problème de physique et de cosmologie aussi complexe et fondamental. C'est en grande partie vrai...

Mais heureusement, ni Niels BohrNiels Bohr ni Arnold Sommerfeld n'ont attendu d'avoir en mains les équations de Schrödingeréquations de Schrödinger et d'Heisenberg de la mécanique quantiquemécanique quantique pour tenter de comprendre le spectrespectre des atomesatomes et des moléculesmolécules à l'aide de l'hypothèse des quanta de PlanckPlanck et d'EinsteinEinstein.

En 2001, Paul Steinhardt, Burt Ovrut, Justin Khoury et Neil Turok ont donc entrepris de bâtir un modèle cosmologique au-delà de celui du Big Bang à l'aide de la théorie M. Très vite, ils ont réalisé que leur modèle était une alternative à la théorie de l'inflation introduite par Alan Guth et Andrei Linde au début des années 1980 (les noms de Englert, Brout, Gunzig et  Starobinski peuvent être ajoutés à la liste en tant que précurseurs).

La théorie de l'inflation résout un problème du modèle standard de la cosmologiemodèle standard de la cosmologie connu sous le nom de problème de la platitude. On sait que la géométrie de notre UniversUnivers est très proche de celle d'un espace plat, ou dit autrement, que la densité de l'Univers est très proche de la densité critiquedensité critique. Or, plus on remonte dans le temps, plus l'écart entre la densité de l'Univers et la densité critique, caractéristique d'une géométrie spatiale plate, devient faible.

On est alors conduit à un ajustement époustouflant de la densité de l'Univers avec une précision de plusieurs dizaines d'ordres de grandeursordres de grandeurs et plus. Bien sûr, le sceptique pourra toujours se dire « Et alors ? Ainsi est l'Univers ! ».

Mais cela ne peut satisfaire le cosmologiste qui aimerait bien disposer d'un mécanisme assurant spontanément un ajustage fin de ces paramètres de l'Univers que son sa géométrie et sa densité.

En introduisant un champ scalaire hypothétique baptisé l'inflatoninflaton, Guth, Linde et d'autres ont montré que, lors d'une phase très primitive de son histoire, notre Univers aurait subi une phase d'expansion accélérée, mais temporaire, qui l'aurait tellement gonflé que sa géométrie, quelle qu'elle ait été initialement, apparaîtrait plate pour des observateurs ultérieurs, tout comme la surface de la Terre nous semble elle aussi plate à cause de la taille de notre planète.

La géométrie courbe d'une sphère semble plate si celle-ci se dilate brusquement pour devenir de grande taille. Crédit : Alan Guth

La théorie de l'inflation ne dit cependant rien sur l'état initial de l'Univers, à supposé qu'il y en ait eu vraiment un d'ailleurs. Toutefois, en violant certaines hypothèses nécessaires à l'apparition de singularités dans les modèles cosmologiques, elle permet de penser que l'Univers n'avait peut-être pas de vrai début, quoique d'après les travaux de Guth, Borde et Vilenkin, la question d'un évitement d'une singularité cosmologique par la théorie de l'inflation ne soit pas complètement réglée. Il semblerait bien qu'une singularité soit inévitable dans les modèles inflationnaires.

Il se trouve que le problème de la platitude est aussi très simplement résolu par le modèle ekpyrotique proposé en 2001 dans le cadre de la théorie M. L'origine de son nom va devenir claire dans un instant.

Burt Ovrut, exposant la théorie M. Crédit : Penn State University

Comme on l'a dit initialement, pour décrire les particules de l'Univers, la théorie M introduit en plus des cordes, des structures à deux dimensions et plus, des membranes. Si Lemaître et Gamow ont introduit l'idée d'un atome primitif pour expliquer la création de l'Univers, et si l'on peut donc comparer l'Univers primitif à une particule élémentaireparticule élémentaire, alors pourquoi ne pas utiliser une membrane ?

De fait, pour peu que l'on introduise un Univers avec des dimensions supplémentaires, comme l'exige la théorie des cordes, dont la théorie M est une extension, on tombe naturellement sur l'image de deux Univers en forme de membrane à trois dimensions spatiales, donc de géométrie plate, flottant dans un Multivers de dimension probablement infinie avec 4 dimensions spatiales macroscopiques au moins. Le Big bang ne serait que le résultat de la collision de ces deux Univers-membranes, dont nous habiterions l'un d'entre eux. La nature même de la théorie M impliquerait donc une géométrie plate pour l'Univers et l'hypothèse d'un inflaton, comme de l'inflation elle-même, ne serait plus nécessaire.

En grec, conflagration se dit ekpyrosis et dans le cadre de la philosophie stoïcienne, l'Univers commence par un embrasement tel un feufeu qui s'allume, d'où le nom donné par les auteurs de cette théorie. Suite à la collision, l'énergie cinétique des deux Univers, initialement vides et froids, est convertie d'une part en un plasma de particules, celui de la théorie du Big Bang, et d'autre part en expansion de l'espace de chacun des Univers. On retombe donc sur le modèle standard.

Andrei Linde. Crédit : Stanford University

Andrei Linde et d'autres avec lui ne tardèrent pas à faire remarquer que la théorie proposée ne permettait pas de rendre compte avec succès des petites fluctuations de températures observées dans le rayonnement fossile par Cobe et plus tard WMap. Or, ces fluctuations, qui sont en fait liées à celle de la densité dans l'Univers primordial, sont absolument nécessaires pour expliquer l'apparition des galaxiesgalaxies. Bien que pas vraiment convaincus, les partisans du modèle ekpyrotique avaient toutefois perdu du terrain jusqu’à une publication récente où ils affirmèrent avoir enfin retrouvé complètement le bon spectre de fluctuation observé dans le rayonnement fossile.

Là encore, la réaction de Linde fut immédiate. Il fit remarquer que pour cela ils se basaient sur l'introduction douteuse d'un condensat de particules que l'on appelle des fantômes en théorie quantique des champs. Si l'on allait jusqu'au bout des conclusions de l'introduction d'un tel condensat, des particules d'énergiesénergies négatives devaient aussi apparaître, entraînant une instabilité catastrophique détruisant automatiquement l’Univers.

Pour Justin Khoury, Linde ne comprend pas que ce condensat n'est qu'une description effective, un peu comme l'est celle d'un fluide continu pour approximer un ensemble discret de molécules d'eau. Les états d'énergies négatives ne seraient ainsi tout simplement absents.

D'autres théoriciens, comme Nima Arkani-Hamed de l'Université d' Harvard, sont aussi sceptiques que Linde. Le match se poursuit actuellement. Peut-être les prochaines données fournies par le satellite Plank, de l'Esa, permettront-elles d'y voir plus clair dans quelques années.