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Le Big Bang en gravité quantique à boucles

Dossier - La gravitation quantique à boucles, une théorie fascinante
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La gravitation quantique à boucles est une théorie qui tente de concilier la physique d’Einstein avec la physique quantique. Elle pourrait bien bouleverser notre vision de l'univers, notamment celle des trous noirs et du Big Bang.

  
DossiersLa gravitation quantique à boucles, une théorie fascinante
 

Le Big Bang est une singularité en cosmologie standard, c'est-à-dire un effondrement de la théorie. En gravitation quantique à boucles, il est remplacé par un rebond et le modèle redevient régulier et mathématiquement bien défini.

L'application de la gravitation quantique à boucles à l'univers a été d'abord entreprise par Martin Bojowald et développée par Abhay Ashtekar. Le résultat le plus important est certainement la disparition de la singularité initiale.

Le Cern (européen) a construit le grand collisionneur de hadrons (LHC), le plus puissant accélérateur de particules encore créé par les humains. © Maximilien Brice, Cern

Le Big Bounce, un grand rebond

L'essentiel de la dynamique cosmologique usuelle est retrouvé mais des effets répulsifs très intenses de géométrie quantique interviennent à très haute densité, permettant d'éviter la pathologie du Big Bang. Ce qui le remplace alors est un Big Bounce, un grand rebond. Ce qui signifie qu'il aurait alors existé une phase de contraction de l'univers qui aurait précédé la phase d'expansion dans laquelle nous nous trouvons en ce moment.

De façon remarquable, ce résultat obtenu de façon « semi-classique », c'est-à-dire dans une version simplifiée de la théorie, a été confirmé par des simulations utilisant une approche plus rigoureuse. On peut aujourd'hui le considérer comme une prédiction fiable de la cosmologie quantique à boucles.

Depuis, beaucoup de travaux ont été dévolus aux calculs d'effets observables pour cette théorie. C'est ce à quoi je me suis attelé avec Julien Grain et d'autres jeunes collègues. En particulier, nous tentons de calculer ce qu'on nomme « les spectres de puissance primordiaux », qui sont liés à ce qu'a observé le satellite Planck dans le fond de rayonnement fossile. Il s'agit d'une démarche délicate parce que beaucoup d'hypothèses simplificatrices sont nécessaires et il est difficile de savoir exactement lesquelles sont légitimes.

Avec la découverte de l'expansion de l’univers sont nées d’autres questions : à quelle vitesse cette expansion se produit-elle ? y a-t-il accélération ? ou bien ralentissement ? Futura a interrogé Aurélien Barrau, astrophysicien spécialisé en cosmologie et auteur du livre Des univers multiples. © Futura

De plus, nous avons montré que l'inflation, qui est un élément important du modèle standard de la cosmologie, apparaît dans ce cadre de façon naturelle dès lors que le bon contenu en matière (un champ scalaire) est supposé présent dans l'univers. Et, de façon remarquable, la durée de l'inflation n'est plus arbitraire mais devient calculable et prévisible de façon explicite.

Une belle complémentarité est ici à l'œuvre : la gravitation quantique permet de mieux comprendre l'origine de l’univers et, réciproquement, l'univers primordial permet de tester les différents modèles de gravitation quantique. N'oublions pas que les échelles de distance auxquelles les effets de gravité quantique deviennent dominants sont environ un million de milliards de fois plus petites que celles observées avec notre meilleur microscope actuel, le LHC.