Le professeur Avi Loeb du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics et ses collègues ont proposé un nouveau test pour l’inflation, la théorie selon laquelle notre Univers a connu une expansion spectaculaire en une fraction de seconde juste après le Big Bang. L’article de l’équipe a été publié dans le journal Physical Review Letters.
Illustration d’artiste montrant les modèles de signaux générés par les horloges standard primordiales dans différentes théories de l’Univers primordial : Le Big Bounce (en haut) et l’inflation (en bas). Crédit image : Zhong-Zhi Xianyu, Xingang Chen & ; Avi Loeb / Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Bien que l’inflation cosmique soit bien connue pour avoir résolu certains mystères importants concernant la structure et l’évolution de l’Univers, d’autres théories très différentes peuvent également expliquer ces mystères.
Dans certaines de ces théories, l’état de l’Univers précédant le Big Bang – l’Univers dit primordial – se contractait au lieu de s’étendre, et le Big Bang faisait donc partie d’un Big Bounce.
Pour aider à trancher entre l’inflation et ces autres idées, la question de la falsifiabilité – à savoir si une théorie peut être testée pour potentiellement montrer qu’elle est fausse – s’est inévitablement posée.
“La falsifiabilité devrait être une caractéristique de toute théorie scientifique”, a déclaré le professeur Loeb.
“La situation actuelle de l’inflation est qu’il s’agit d’une idée tellement flexible qu’elle ne peut être falsifiée expérimentalement. Quelle que soit la valeur que les gens mesurent pour un attribut observable, il y a toujours des modèles d’inflation qui peuvent l’expliquer.”
Le professeur Loeb et ses co-auteurs ont appliqué une idée qu’ils appellent une “horloge standard primordiale” aux théories non-inflationnistes, et ont exposé une méthode qui peut être utilisée pour falsifier l’inflation de manière expérimentale.
Dans un effort pour trouver une caractéristique qui puisse séparer l’inflation des autres théories, les chercheurs ont commencé par identifier la propriété déterminante des différentes théories – l’évolution de la taille de l’Univers primordial.
Les signaux générés par l’horloge standard primordiale peuvent servir à cette fin. Cette horloge est un type quelconque de particule élémentaire lourde dans l’Univers primordial. De telles particules devraient exister dans n’importe quelle théorie et leurs positions devraient osciller à une certaine fréquence régulière, un peu comme le tic-tac du pendule d’une horloge.
L’Univers primordial n’était pas entièrement uniforme. Il y avait d’infimes irrégularités de densité à des échelles minuscules qui sont devenues les graines de la structure à grande échelle observée dans l’Univers d’aujourd’hui. C’est la principale source d’information sur laquelle s’appuient les physiciens pour comprendre ce qui s’est passé avant le Big Bang.
Les tics de l’horloge standard ont généré des signaux qui se sont imprimés dans la structure de ces irrégularités.
Les horloges standard des différentes théories de l’Univers primordial prédisent des modèles de signaux différents, car les histoires évolutives de l’Univers sont différentes.
L’équipe a calculé comment ces signaux d’horloge standard devraient se présenter dans les théories non-inflationnistes, et a suggéré comment ils devraient être recherchés dans les observations astrophysiques.
“Si l’on découvrait un modèle de signaux représentant un Univers en contraction, cela falsifierait toute la théorie inflationniste”, a déclaré le Dr Zhong-Zhi Xianyu, co-auteur de l’étude et chercheur postdoctoral au sein du Groupe de théorie des hautes énergies du Département de physique de l’Université de Harvard.
Le succès de cette idée réside dans l’expérimentation.
“Ces signaux seront très subtils à détecter et nous devrons donc peut-être chercher dans de nombreux endroits différents”, a déclaré le coauteur, le Dr Xingang Chen, maître de conférences au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
“Le rayonnement de fond cosmique micro-ondes est un de ces endroits, et la distribution des galaxies en est un autre.”
“Nous avons déjà commencé à rechercher ces signaux et il y a déjà quelques candidats intéressants, mais nous avons besoin de plus de données.”
