Nous avons vu que le rayonnement micro-ondes
cosmologique est extrêmement homogène, à 1 pour 100.000.
Pourquoi ?
Bien sur, rien n'interdit cette uniformité du cosmos, mais dire qu'il
s'agit d'une coïncidence, c'est peut-être passer à côté
d'un point essentiel. Pour mieux comprendre, il faut commencer par définir
la notion de causalité.
La physique est basée sur la notion de causalité
: une cause précède toujours l'effet. Qui plus est, la relativité
nous enseigne que l'information ne peut pas se déplacer plus vite que
la lumière, donc qu'on ne peut pas percevoir un effet avant un temps
au mieux égal à celui que la lumière met pour voyager depuis
l'origine de la cause.
A partir de là, on peut définir la "sphère de causalité"
d'un événement : c'est l'ensemble des lieux qui, à un instant
donné, ont pu percevoir l'événement.
Bien évidemment, cette sphère grossit avec le temps à la
vitesse de la lumière.
Au moment de l'émission du rayonnement fossile, l'univers avait un million d'années : la sphère de causalité des particules émettrices de ce rayonnement s'étendait donc sur un million d'années-lumière.
Comment peuvent elles alors être toutes à la même température ?
Les sphères de causalité individuelles ne se recouvrent
pas. Dans ces conditions, il faut en déduire que des atomes situés
en dehors de leurs sphères de causalité individuelles étaient
à la même température. Ce qui est pour le moins curieux.
Cet effet est connu sous le nom de problème de l'horizon, l'horizon étant
la plus lointaine distance observable.
Pour expliquer ce fait, le physicien américain Alan Guth a proposé l'hypothèse de l'inflation.
Nous avons vu que la séparation des forces aux premiers
temps de l'univers était assimilable à un changement de phase,
de la même manière que l'eau qui se change en glace.
Mais l'eau peut très bien exister un court moment à l'état
liquide à une température inférieure à 0°C.
C'est le phénomène de surfusion.
Ce même phénomène apparaît lors de la
séparation des forces. Les forces
peuvent rester unifiées alors que la température est descendue
sous la température de séparation.
A ce moment, l'énergie du champ
scalaire associé à l'unification des forces devient supérieure
à la température de l'univers. Ce champ devient alors équivalent
à une force répulsive qui va faire gonfler l'univers dans des
proportions énormes : au moment de la brisure de grande symétrie,
vers 1028 K, le rayon de l'univers croît d'un
facteur 1050.
Il transforme son énergie en expansion de l'univers.
Ce changement de phase a du avoir lieu trois fois lors du Big Bang :
Quels sont les effets de cette brutale augmentation de taille de l'univers?
Tout d'abord, cette inflation permet de résoudre le problème de l'horizon posé plus haut : en effet, toutes les distances sont prodigieusement augmentées en un temps très bref. Les sphères de causalité des différents points émetteurs du rayonnement fossile ont pu se recouvrir, et ainsi expliquer l'homogénéité de celui-ci.
L'augmentation de taille de l'univers a eu lieu à une vitesse bien supérieure à celle de la lumière : ceci ne viole pas la théorie de la relativité, parce qu'aucune information n'a été déplacée pendant l'inflation, seulement une caractéristique géométrique.
Le second effet de l'inflation, c'est de rendre l'univers plat.
En effet, cette inflation augmente toutes les distances de l'univers, y compris
son rayon de courbure, qui tend alors vers l'infini.
Dans un scénario classique, l'univers doit naître plat pour le
rester. Avec l'inflation, quelle que soit la courbure de l'univers au départ,
il finit plat.
Troisième effet de l'inflation, diluer les éléments de l'univers. En augmentant la taille de celui-ci, on diminue fortement les concentrations de différents objets "exotiques", comme les trous noirs primordiaux ou les monopôles magnétiques, pourtant prévus par la théorie et qu'on n'a pas détecté.