L'hypothèse de l'inflation

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Le problème de l'horizon

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.

COBE et le rayonnement fossile
COBE, au centre, observe le rayonnement fossile qui provient d'une distance de 14 milliards d'années-lumière.
Chaque particule émettrice a une sphère de causalité de 1 million d'années-lumière seulement.

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.

l'univers observable et l'horizon
Une autre façon d'appréhender le problème :
Toute la matière qui remplit l'univers observable aujourd'hui occupait au temps de Planck un volume supérieur à l'horizon à cet instant.
Et pourtant, la température de l'univers est homogène (à grande échelle).

Pour expliquer ce fait, le physicien américain Alan Guth a proposé l'hypothèse de l'inflation.

 


L'inflation cosmologique

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.

surfusion de l'eau
Lorsque la température de l'eau descend, celle-ci peut rester liquide en dessous de 0°.
Mais il viendra un moment où elle gèlera, et à cet instant, la température de la masse d'eau remontera pour atteindre le 0° de la transition de phase.

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.

transition de phase à la perte de symétrie
Au moment où le changement de phase a lieu, après la surfusion, le champ scalaire disparaît brutalement, puisqu'il représente l'unification des forces.

Il transforme son énergie en expansion de l'univers.

Ce changement de phase a du avoir lieu trois fois lors du Big Bang :

 


Les effets de l'inflation

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'univers observable et l'inflation
Toute la matière de l'univers observable tient dans un volume inférieur à celui délimité par l'horizon causal au temps de Planck :
Tous les points de l'univers sont causalement liés, et peuvent présenter les mêmes caractéristiques.

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.

 


Preuves expérimentales

Comment valider cette hypothèse ?

La théorie montre que l'expansion explosive de l'univers pendant l'inflation a du créer des ondes gravitationnelles, et qu'à défaut de pouvoir (au moins pour l'instant) les mesurer directement, on pourrait les mettre en évidence par l'interaction qu'elles vont avoir avec le fond cosmologique micro-ondes.
En déformant le tissu de l'espace-temps, ces ondes vont induire une polarisation particulière des ondes du fond cosmologique, de type quadripolaire, nommée B-mode.
B-mode polarisation du CMB
Les couleurs représentent la température du CMB, les vecteurs sa polarisation.
Les motifs observés, spiralant autour des points chauds et froids, sont typiques de la polarisation B-mode.

C'est ce type de polarisation qui a été mesuré à l'observatoire BICEP2 situé au Pole Sud, piloté par la National Science Foundation.
Une telle mesure apporte une validation certaine à l'hypothèse de l'inflation.
Notons que c'est également la première observation d'une manifestation de la gravité quantique.


Références :
CMB Polarization: The Next Key Toward the Origin of the Universe (Yuki D. Takahashi)
DETECTION OF B-mode POLARIZATION AT DEGREE ANGULAR SCALES The BICEP2 Collaboration