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La détente du faux vide

Dossier - L'univers inflationnaire
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Explication de cette théorie de l'univers inflationnaire : problème du modèle standard, modèle de Higgs ...

  
DossiersL'univers inflationnaire
 

Nous savons que dans l'espace préside un vide ordinaire, mais ce n'est pas un vide "absolu" car il est instable. Il est en effet constamment brassé par des particules virtuelles qui se créent et s'annihilent en permanence, créant des fluctuations quantiques de l'énergie du vide.

A la densité de Planck r ~1094 g/cm3, la théorie nous apprend que des états inhabituels caractérisés par de grandes tensions peuvent exister dans la matière. Ces tensions reviennent à dire qu'il existe des pressions négatives dans la matière. Il existe en effet une relation entre la densité r et la pression P de tels états, tel que P = -rc2. Ces états sont connus sous le nom de faux vide (vacuum-like).

Dans la théorie d'Einstein, la force gravitationnelle n'est pas seulement créée par la densité d'énergie r mais également par la pression, r s'écrivant alors (r + 3P/c2). Dans des conditions normales, le second terme est insignifiant mais il devient déterminant dans les états de faux vide. La somme entre parenthèse devient négative, ce qui signifie que l'attraction gravitationnelle, la pression, devient synonyme de répulsion. Cet effet n'est pas hydrodynamique (comme la chute de la pression) mais revête un caractère purement gravitationnel.

Aux débuts de l'univers, ces états de faux vide des champs scalaires mettant en relation la densité de l'énergie (la masse) et la pression (la tension) sont restés inchangés au cours de l'expansion : densité et pression sont restés constants au cours du temps. Il est vraisemblable que c'est la détente de ce faux vide jusqu'à un état d'énergie plus stable qui fut à l'origine de l'expansion de l'univers.

En effet, un important facteur vient se greffer sur la loi de la gravitation de NewtonEinstein nous rappelle que la force gravitationnelle n'est pas seulement proportionnelle à la densité de l'énergie mais il faut la multiplier par 3 fois la pression du système. Ces deux termes (r + 3P/c2) n'ont pas de conséquences dans le monde ordinaire. Mais dans une bulle à l'état de faux vide il n'y a pas de différence de pression, il n'y a aucun effet dynamique. Par contre la gravité prend le signe négatif et devient une force répulsive. L'Univers ayant encore la taille d'une particule, il applique l'effet tunnel de la mécanique quantique pour s'affranchir de cette barrière d'énergie. Dans une phase de transition, identique à l'état de surfusion de l'eau, certaines régions subirent une expansion énorme, une inflation qui lissa toutes les inhomogénéités et anisotropies de l'Univers, provoquant la première brisure de symétrie. Cette région devint notre Univers.

Pendant la phase de transition, qui débuta vers 10-35 sec dans le modèle de Guth lorsque la densité de l'énergie des particules et du faux vide étaient proches de la densité de Planck r ~1094 g/cm3, l'Univers grandit exponentiellement, doublant quasiment de diamètre toutes les 10-34 sec selon la formule du facteur d'échelle : R(t) = Ro exp (3 x 10-35 sec).

Cette inflation dura au moins 10-35 sec et pendant ce temps l'Univers s'étendit selon les modèles d'un facteur pouvant atteindre 1010^12 , un 1 suivi d'un trillion de zéros ! L'univers observable s'étend déjà sur 1028 cm et est déjà inconcevable. Personne ne peut pas imaginer ce que représente la dimension de l'univers réel ! Cet état étant instable, au terme des 10-35 sec l'expansion ralenti sous la vitesse d'inflation et certaines particules aquérirent une masse. L'univers devint plus chaud, sa température atteignant 1027 K. Cette théorie rejoint alors le modèle Standard du Big Bang.

Le modèle inflationnaire corrigé



Dans le modèle cosmologique inflationnaire que nous devons à Alan Guth l'inflation (rectangle bleu) se produit lorsque la densité de Planck est descendue en-dessous de 1094 g/cm3, à 10-35 sec. Mais des recherches récentes ont prouvé que ce scénario ne fonctionnait pas. Andrei Linde l'a modifié en faisant commencer l'inflation au temps de Planck, à 10-43 sec (rectangle gris) et en faisant intervenir une théorie tachyonique. Toutefois quel que soit le scénario inflationnaire le rayon de l'univers observable (15 milliards d'années-lumière) est de loin inférieur à la distance de l'horizon cosmologique qui représente la distance maximale entre deux régions causalement liées par un signal lumineux.

Selon Linde, c'est sans compter avec la vitesse finie de la lumière qui fixe un horizon cosmologique. Une vitesse exponentielle ne pourrait s'affranchir de la théorie d'Einstein. Mais selon Guth, avant que l'inflation ne commence l'Univers était tellement petit, dans un rapport 1050 à 1010^12 fois plus petit que le modèle Standard, qu'il était déjà en équilibre thermique et homogène. La région qui correspond à l'Univers actuel était nettement plus petite que la distance de l'horizon.

Mais selon ce mécanisme, dans sa phase de transition l'Univers devrait contenir un nombre de bulles hétérogènes bien trop important. Si l'on considère que l'énergie s'est répartie à la surface des bulles, seules les plus étendues auraient pu amasser cette énergie, laissant autour d'elles d'énormes bulles vides. Une telle configuration ne permettrait pas de redistribuer la matière uniformément, comme nous l'observons dans la réalité à grande échelle.

Une image souvent reprise serait de considérer les champs de Higgs comme une balle glissant lentement sur le versant d'une colline. La valeur du champ de Higgs est symbolisée par la distance du centre à la bille. Si nous désirons une image tridimensionnelle de la colline par une symétrie de rotation, nous devons tenir compte d'un couple de champ de Higgs orientés perpendiculairement l'un par rapport à l'autre. La hauteur de la colline représente la densité d'énergie de l'univers. Au sommet les champs ont une valeur nulle, c'est l'état de faux vide.

Tant que la chute ne s'emballe pas l'Univers serait dans un état de faux vide. Dans ces conditions, l'énergie des champs de Higgs dirige le taux d'expansion de l'Univers. Mais suite à une fluctuation quantique (on oublie les résidus d'une fluctuation thermique), les équations d'Einstein imposent alors que tant que l'énergie est constante ou que la transition est lente vis-à-vis du refroidissement, l'Univers s'étend de façon exponentielle en moins de 10-32 sec ! Notre domaine subit une telle inflation pendant cette période que l'horizon réside bien au-delà des distances accessibles. Lorsque les champs atteignirent leur état d'équilibre l'inflation s'arrêta. La température de l'Univers remonta à 1027K pour graduellement redescendre dans un milieu isotrope et homogène à grande échelle. La désintégration des particules de Higgs en cascades aboutirait ainsi à un plasma en état d'équilibre thermique, la condition sine qua non du modèle Standard. On supprime ainsi le problème lié à l'isotropie du rayonnement à 2.7 K, avec une symétrie brisée à la fin de la période inflationnaire.

Le mécanisme de Higgs



Représentation schématique de la phase de transition qui conduisit à l'inflation de l'univers. Assumant que les champs scalaires f disposent d'une énergie potentielle V, le "faux vide" correspond à une région de l'espace où les champs scalaires de Higgs sont nuls, symbolisé ici par le sommet de la colline. La densité d'énergie de ce faux vide implique une pression négative représenté en relativité générale par une force de répulsion. Tant que les champs de Higgs sont nuls, la symétrie est respectée et aucun phénomène ne se produit. Le mécanisme qui provoque la descente vers l'état de vide ordinaire est déterminé par des fluctuations thermiques. Si l'un des champs de Higgs s'écarte de la valeur nulle dans un état de "faux vide", il provoque l'inflation en l'espace de 10-32s jusqu'à retrouver son état d'énergie minimale, le "vrai" vide (le bas de la colline), dans lequel l'état de symétrie est brisé. Ce nouvel état provoque un réchauffement de l'univers. Durant ce temps l'univers a grandit d'un facteur 1050 ou plus.
Linde supprime en fait le mécanisme complexe de la phase de transition. Par comparaison avec la théorie de Guth, la phase de transition est beaucoup plus lente que le refroidissement. Un instant après le Big Bang Linde considère que les champs dans lesquels baignaient l'Univers n'étaient pas uniformes. Localement les champs de Higgs étaient très loin de leur état d'équilibre (état d'énergie minimum stable). Perdant progressivement leur énergie, la densité totale de l'Univers - rayonnement et particules - atteignit rapidement la densité des champs de Higgs. En fait, les champs de Higgs seraient restés à zéro tandis que la bulle de notre Univers se serait doucement "refroidie" jusqu'à la "surfusion", tombant à 1022K.

Dans la version corrigée par Sidney Coleman, Erick Weinberg et Andreï Linde, le faux vide se trouve au sommet de la colline et il n'y a pas de barrière d'énergie entre faux vide et vrai vide. Le changement d'état ou transition s'effectue beaucoup plus lentement que le refroidissement. Il est non seulement déterminé par des fluctuations thermiques mais également par des fluctuations quantiques d'énergie.

Dans une troisième version, il existe une petite barrière d'énergie que les champs de Higgs doivent traverser par effet tunnel. L'expansion accélérée de l'univers se produit alors tant que les champs de Higgs se trouvent près de la barrière d'énergie. La bulle formant notre univers peut alors devenir excessivement vaste et contenir tout l'univers observable. Dans ce cas les collisions entre bulles seraient très rares et en vertu de l'expansion de l'univers le volume de faux vide augmenterait sans cesse, donnant éternellement naissance à de nouvelles bulles d'univers.

Dans cette théorie il n'existe plus de bulles mais des "domaines" qui s'étendent de façon homogène et non brutale au rythme de l'état des champs scalaires, jusqu'à créer l'univers observable. Il n'existe plus de barrière infranchissable entre l'état de vrai vide et le faux vide, tout comme une balle en équilibre instable au sommet d'une colline peut rouler librement sur son versant.



L'inflation explique la platitude de l'univers. Document NCSA/UIUC.
Dans ce modèle d'inflation chaotique l'univers réel est tellement vaste que sa partie visible n'en représente qu'une toute petite fraction. C'est pourquoi par analogie avec la surface d'un ballon qui aurait gonflé démesurément, la petite fraction que nous en voyons nous semble plate. C'est la raison pour laquelle ce modèle ne demande pas à toutes les parties de l'univers de s'étendre simultanément au même taux. En partant de l'échelle de Planck, un seul domaine de 10-33 cm permet de créer tout l'univers que nous observons.

Selon Guth ce modèle inflationnaire prédit que la densité des monopôles est juste suffisante pour être conforme aux observations car l'horizon cosmologique est toujours plus grand que la taille de l'Univers observable. En réalité les monopôles existent bien mais l'inflation les a éparpillé dans tout l'Univers. Dans le modèle Standard l'Univers s'étend à une vitesse telle que l'horizon existe, il n'est pas question d'inflation, d'augmentation brutale de la densité de l'énergie ou de la température pour expliquer l'état actuel de l'Univers. L'Univers se serait étendu de façon uniforme, les particules baignant dans un équilibre thermique. Tout changement d'état de la matière aurait été négligeable. Ce modèle est en violation avec la réalité. Il faut bien constater que pendant la genèse de l'Univers, quelque chose a provoqué un effet thermodynamique non négligeable sur la matière. Celle-ci s'est rassemblée en atomes, en soleils, en galaxies. Le modèle Standard devait donc déjà être hétérogène au départ. Mais que signifie alors l'isotropie du rayonnement fossile ?

Après un an de recherche Alan Guth et son équipe renoncèrent à leur premier scénario dans un document qui sera cosigné par Erick Weinberg de l'Université de Columbia mais ils continuent à soutenir le mécanisme de Higgs. Car comme nous l'avons dit, le modèle inflationnaire qu'ils proposèrent était avant tout une hypothèse de travail. Outre le fait que cette théorie n'était pas entièrement corroborée par l'observation, certains paramètres étaient jugés peu plausibles surtout lorsqu'ils devaient s'unir pour édifier une théorie complète qui expliquerait la genèse de l'Univers.

Au demeurant plusieurs scénarios peuvent expliquer l'inflation de l'univers et le mécanisme de Higgs est une solution possible que les cosmologistes ne peuvent pas écarter. Comme l'ont écrit plusieurs physiciens, l'inflation est une merveilleuse idée. Elle invoque des mécanismes quantiques dont les règles gouvernent l'infiniment petit jusqu'aux plus grandes formations de l'Univers. Elle est même en accord avec les observations du ciel jusqu'à l'échelle de 30 millions d'années-lumière. Aussi, il serait imprudent de réduire son ambition sans étudier ses qualités. Si réellement cette théorie fait fausse route - elle existe depuis la fin des années 1960 - nous ne le saurons pas d'aussitôt et peut-être avons-nous déjà en main l'un des arguments fondamentaux qui nous séduira tous à l'avenir.

Voyons à présent un modèle inflationnaire ne faisant pas intervenir les mécanismes de Higgs, il s'agit de l'inflation chaotique.