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Big Bang : Hawking pense avoir gagné son pari sur l'inflation

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Stephen Hawking a fait des contributions essentielles à la théorie de l'inflation au début des années 1980. Cela l'avait conduit à parier contre le cosmologiste Neil Turok, l'un des auteurs du modèle ekpyrotique, une alternative à la théorie de l'inflation, que l'on observerait des ondes gravitationnelles issues du Big Bang avec le satellite Planck. Les résultats récents de l'expérience Bicep semblent donner raison à Hawking.

Stephen Hawking doit avoir le sourire actuellement. Il a été un fervent supporter de la théorie de l'inflation au début des années 1980, et il a même contribué de façon essentielle à son développement. La probable découverte des modes B de l'inflation viendrait donc confirmer plusieurs de ses travaux. © Université de Cambridge

On le sait, Stephen Hawking adore faire des paris avec ses collègues. Il en a perdu deux ces dernières années. Le premier concerne la perte d'information dans les trous noirs. Il a concédé au physicien John Preskill en 2004 que la conjecture de Maldacena en théorie des supercordes impliquait que les trous noirs ne devaient pas détruire l'information en s'évaporant selon le mécanisme qu'il avait découvert en 1974. Le pari perdu le plus spectaculaire est sans aucun doute celui qu'il a fait avec le physicien Gordon Kane. Hawking avait prédit qu'on ne verrait pas le boson de Brout-Englert-Higgs dans les produits des collisions de protons au LHC.

Hawking vient de faire savoir qu'il pensait maintenant avoir gagné un de ses paris, cette fois avec le cosmologiste Neil Turok. Il concerne le modèle d'univers cyclique que Justin Khoury, Burt Ovrut, Paul Steinhardt et Neil Turok ont proposé en 2001. Les quatre chercheurs l'avaient baptisé « modèle ekpyrotique ». En grec, « conflagration » se dit ekpyrosis, et dans le cadre de la philosophie stoïcienne, l'univers commence par un embrasement, tel un feu qui s'allume, puis s'éteint avant de renaître de la même façon, le cycle se répétant éternellement.

Le modèle ekpyrotique, une cosmologie cyclique

Pour comprendre l'origine du nom donné au modèle cosmologique des chercheurs, il faut savoir que dans le cadre des théories physiques avec des dimensions spatiales 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 probablement infini avec quatre dimensions spatiales macroscopiques au moins (les six autres pouvant être refermées sur elles-mêmes et microscopiques). Le Big Bang ne serait que le résultat de la collision de ces deux univers-membranes, et nous habiterions l'un d'eux. À la suite de 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 finalement sur le modèle cosmologique standard. Les deux membranes s'éloigneraient ensuite un peu tout en s'attirant, avant d'entrer à nouveau en collision. Le phénomène se répétant là aussi périodiquement, à l'infini.

Neil Geoffrey Turok (né en 1958) est un physicien sud-africain qui est actuellement le directeur du Perimeter Institute for Theoretical Physics au Canada. Ses travaux concernent la cosmologie. © Perimeter Institute for Theoretical Physics, 2009

Très vite, les quatre physiciens ont réalisé que leur modèle résolvait certains problèmes de la théorie classique du Big Bang, comme le casse-tête de la singularité initiale, et était une alternative à la théorie de l'inflation introduite par Alan Guth et Andrei Linde au début des années 1980 (les noms de François Englert, Robert Brout, Edward Gunzig et Alexei Starobinsky peuvent être ajoutés à la liste en tant que précurseurs de l'inflation).

Hawking, comme Linde, s'est retrouvé en désaccord avec Turok et ses collègues. Comme le modèle ekpyrotique prédit une absence d'ondes gravitationnelles cosmologiques (les modes B), contrairement à beaucoup de modèles de la théorie de l'inflation, Hawking a donc parié que Planck verrait ces ondes et que le modèle cyclique de Turok serait réfuté.

Alternative à l'inflation sans ondes gravitationnelles

Or, le lundi 17 mars 2014, les membres de la collaboration Bicep ont annoncé qu'ils venaient effectivement de détecter ces ondes gravitationnelles. Hawking a donc fait savoir dans une interview donnée à la BBC qu'il pensait avoir gagné son pari. Neil Turok a promptement réagi. Pour lui, l'affaire n'est pas encore entendue.

Le cosmologiste a lui aussi commenté pour la BBC la performance des membres de la collaboration Bicep. « Tout d'abord, je dois dire que c'est un résultat spectaculaire, et qu'il soit vrai ou faux, il indique en fait que nous en sommes au seuil d'une nouvelle compréhension du Big Bang et de ce qui s'est passé à ce moment-là, c'est terriblement excitant. » Mais il ajoute : « J'ai des raisons de douter des résultats de la nouvelle expérience. Ce n'est pas entièrement convaincant pour moi qu'ils [les membres de Bicep, NDLR] ont effectivement vu ce qu'ils affirment avoir vu. Une vérification est très importante et il est sage d'être un peu sceptique tant qu'il n'y a pas eu de confirmation. L'expérience a été extrêmement difficile, et ils n'expliquent pas entièrement pourquoi ils sont tellement convaincus de ce qu'ils affirment. Le problème avec la théorie de l'inflation, c'est qu'elle n'explique pas vraiment le commencement [de l'univers, NDLR]. Stephen a postulé une façon de faire démarrer l'univers, mais elle ne semble pas fonctionner ».

Il paraît effectivement sage d'attendre les résultats des analyses de Planck en cours concernant la présence ou non des modes B cosmologiques dans le rayonnement fossile. Les membres de Planck laissent entendre qu'il faudra patienter au moins jusqu'en octobre 2014.

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