Cette carte montre les fluctuations de température du rayonnement fossile. Elle a été dressée à partir des observations du satellite Planck. La couleur bleue indique les températures les plus élevées et la rouge les plus basses. Les différences sont en fait très faibles, de l'ordre de 10-5 kelvins, et elles sont exagérées sur cette image. © ESA

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La vitesse de la lumière était-elle beaucoup plus élevée au moment du Big Bang ?

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Par Laurent Sacco, Futura

La théorie de l'inflation n'est pas la seule explication possible à la remarquable uniformité de la température du rayonnement fossile, qui est une énigme dans le cadre de la cosmologie standard. Une nouvelle théorie, impliquant une vitesse de la lumière très élevée au moment du Big Bang, vient d'être proposée et elle conduit à une prédiction stricte testable.

Roger Penrose et Stephen Hawking ont montré que, dans le cadre de la relativité générale, et sous réserve de certaines hypothèses très générales sur le contenu de l'univers observable, ce dernier a dû « débuter » par une singularité de l’espace et du temps. Toujours dans le cadre des équations de la physique classique, les physiciens russes Belinsky, Khalatnikov et Lifchitz ont montré qu'au voisinage de cette singularité, l'espace-temps devait être particulièrement chaotique et turbulent.

Faire intervenir la mécanique quantique pour tenter de décrire l'état de l'univers très primordial ne change pas fondamentalement cette image, à l'exception de la disparition probable de la singularité initiale. On peut donc s'attendre à ce que l'univers ait débuté son évolution avec d'importantes fluctuations dans sa température et sa densité (que ces fluctuations portent sur son contenu en matière ou en rayonnement).

Cependant, ce n'est pas ce que l'on observe aujourd'hui. Les mesures faites par les satellites Cobe, WMap et, finalement, Planck nous montrent que le rayonnement fossile est particulièrement homogène et isotrope du point de vue de sa température sur la voûte céleste, ce qui implique qu'il en est de même pour la densité de matière. Or, si l'on tente de comprendre ces observations dans le cadre des modèles classiques de l'expansion de l'univers découverts par Friedmann, Lemaître, Robertson et Walker en cosmologie relativiste, on n'y arrive pas.

Quelques physiciens célèbres de l'école russe. En haut et de gauche à droite : Gershtein, Pitaevskil, Arkhipov, Dzyaloshinskil. En bas et de gauche à droite : Prozorova, Aleksei Abrikosov, Khalatnikov, Lev Davidovich Landau, Evgenii Mikhailovich Lifchitz. © DP

Une expansion très accélérée de l'espace ou une variation de la vitesse de la lumière ?

Les calculs montrent que des petites parties de la voûte céleste correspondent à des régions de l'univers observable qui n'ont pas eu le temps d'échanger de la chaleur depuis le Big Bang à cause du mur de la vitesse de la lumière, qui limite la vitesse de la propagation de tels échanges. L'équilibre thermique, comme on l'appelle dans le jargon des physiciens, n'aurait pas eu le temps de s'établir et les températures n'auraient donc pas eu le temps de s'uniformiser.

La solution proposée pour résoudre cette énigme a consisté à postuler une phase d'expansion extrêmement forte (avec un facteur de dilatation de l'espace d'au moins e55 environ), bien que transitoire, très tôt dans l'histoire du cosmos observable. On appelle cette phase l'inflation et il semble bien que plusieurs théories physiques proposées pour étendre le modèle standard en physique des particules, y compris dans le cadre de la cosmologie quantique à boucles, conduisent naturellement à cette phase d'inflation. Les régions que l'on croyait trop éloignées pour avoir échanger rapidement de la chaleur étaient en fait suffisamment proche pour cela dans un passé lointain. Ce n'est que parce qu'on avait pas tenu compte de la phase d'inflation qu'elles nous étaient apparues causalement séparées dans toute l'histoire du cosmos observable.

Il y a cependant plusieurs problèmes avec la théorie de l'inflation et c'est pourquoi certains chercheurs se sont tournés vers d'autres solutions. Au cours des années 1990, John Moffat (1992) puis João Magueijo et Andreas Albrecht (1998) ont ainsi proposé que la vitesse de la lumière (plus précisément la vitesse limite d'un signal que l'on pense jusqu'à présent être celle d'abord mesurée avec les ondes lumineuses) était beaucoup, beaucoup plus grande au début de l'histoire de l'univers. Les échanges de chaleur pouvaient donc se faire beaucoup plus vite, ce qui aurait conduit le cosmos à avoir partout la même température. Cela expliquerait la remarquable précision avec laquelle le spectre du rayonnement fossile nous apparaît aujourd'hui comme celui d'un corps noir parfait.

Le physicien et astronome iranien Niayesh Afshordi est en poste à l'université de Waterloo. © Niayesh Afshordi

Une théorie avec une vitesse de la lumière variable rigoureusement réfutable

Ce n'est pas la première fois que l'on propose des théories avec des variations de certaines constantes fondamentales (comme celle de la gravitation ou celle de structure fine). Ces théories et leurs vérifications ne sont pas sans poser problème, ne serait-ce que parce qu'il faut utiliser des phénomènes physiques dépendant de ces constantes pour mesurer d'autres phénomènes alors que l'on veut mettre en évidence des variations des constantes. En effet, comment mesurer sans ambiguïté des variations dans le temps de certaines grandeurs avec une horloge si ces mêmes variations affectent le rythme des battements de cette horloge.

João Magueijo vient de revenir sur la problématique des théories avec des variations de la vitesse de la lumière dans un article sur arXiv avec son collègue Niayesh Afshordi, du Perimeter Institute, au Canada. Les deux physiciens se basent sur une théorie où la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles n'est pas la même que celle des autres phénomènes physiques, comme celle des ondes lumineuses dans le vide. Ils aboutissent à une prédiction nouvelle, fortement contrainte, qui peut être testée en analysant suffisamment finement le spectre du rayonnement fossile.

Selon les chercheurs, la classe de théorie à variation de la vitesse de la lumière qu'ils considèrent implique que l'indice spectral associé aux fluctuations de densité dans l'univers primordial doit être précisément de 0.96478. Les mesures faites par Planck indiquent, aux erreurs près actuelles, une valeur d'environ 0.968.

Dans un futur proche, si l'amélioration de la précision des mesures montrait finalement un désaccord avec la valeur prédite par la théorie de Afshordi et Magueijo, elle serait donc totalement réfutée. Par contre, si un accord devait être trouvé, on ne saurait pas pour autant avec certitude si la vitesse limitée des interactions dans l'univers était bel et bien plus élevée au moment du Big Bang.

Les secrets de la mission Planck  Le satellite Planck constitue une formidable machine à remonter dans le temps, capable de nous livrer plusieurs secrets sur l'origine, la structure et la composition de l'univers. Les cosmologistes et les astrophysiciens l'ont utilisé pour cartographier sur la voûte céleste, avec une précision inégalée, les fluctuations de température et de polarisation de la plus vieille lumière du monde, celle du rayonnement fossile. Cette vidéo réalisée par le consortium HFI-Planck, l'agence de communication Canopée et avec l'aide de Jean Mouette, de l'IAP (Institut d'astrophysique de Paris), nous explique en quoi consiste cette mission. 

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