L’époque inflationniste qui a provoqué l’expansion rapide de notre univers dans ses premiers instants peut être liée à l’ère moderne de l’énergie noire, grâce à une composante fantôme du cosmos qui modifie la force de gravité à mesure que l’univers évolue, propose un physicien dans un nouveau papier.
L’approche traditionnelle de la compréhension la gravité implique le célèbre d’Einstein théorie de la relativité générale. Pour une idée aussi puissante, qui peut tout expliquer depuis l’orbite de la lune à l’évolution de l’univers entier, c’est un concept assez simple. En relativité générale, il n’y a que l’espace-temps et son contenu. Le contenu du cosmos fait plier et déformer l’espace-temps, et la flexion et la déformation de l’espace-temps dictent comment le contenu doit se déplacer.
Par exemple, la présence d’une planète déforme l’espace-temps autour d’elle, provoquant le suivi d’autres objets en orbite, ou les distorsions causées par une étoile peuvent dévier le chemin de la lumière qui passe.
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Bien que la relativité générale soit l’approche la plus simple de la gravité, ce n’est pas la seule. Une alternative, connue sous le nom de théories du tenseur scalaire, remonte au début des années 1960 et est l’œuvre des physiciens Robert Dicke et Carl Brans, elle porte donc parfois le nom de théorie de Brans-Dicke.
Dans les théories du tenseur scalaire, en plus de l’espace-temps et de son contenu, il existe un troisième ingrédient, connu sous le nom de champ scalaire. Le champ scalaire imprègne tout l’espace-temps, et sa seule tâche est de changer la force de la gravité d’un endroit à l’autre ou de temps en temps. Dans la relativité générale vanille, la force de gravité est fixe ; c’est juste Newtonconstante gravitationnelle, pour toujours et toujours. Peu importe où et quand vous vous trouvez dans l’univers, une quantité donnée de masse et d’énergie déformera toujours l’espace-temps exactement de la même manière.
Mais dans les théories du tenseur scalaire, cela peut changer. Une planète d’un côté de l’univers pourrait avoir un impact plus ou moins fort sur l’espace-temps qui l’entoure, selon la valeur locale du champ scalaire. La force de gravité peut également changer avec le temps, si le champ scalaire lui-même évolue.
Accorder le cosmos
Expérimentalement, les théories de la relativité générale et du tenseur scalaire sont équivalentes. La relativité générale a dépassé tous les obstacles expérimentaux qui lui ont été lancés. Mais si vous prenez une théorie du tenseur scalaire et supposez simplement que votre champ scalaire a une valeur constante égale à la constante de Newton, vous obtenez également les mêmes résultats. Mais parce que la relativité générale est tellement plus simple que les théories du tenseur scalaire et qu’il n’y a aucun moyen connu de les distinguer, les physiciens préfèrent Einsteinla théorie classique.
Sauf qu’il y a un petit problème : l’énergie noire. Selon les observations, la expansion de l’univers s’accélère, mais à un rythme très doux. La seule façon de rendre compte de cela en relativité générale est d’inclure un constante cosmologique, une valeur supplémentaire dans les équations qui a une valeur incroyablement petite, mais pas tout à fait nulle. Cette caractéristique de la constante cosmologique trouble la plupart des physiciens car elle semble incroyablement contre nature. Si l’énergie noire avait presque une autre valeur, l’expansion du cosmos aurait déchiré le cosmos il y a longtemps, le laissant incapable de supporter la vie (y compris quiconque pourrait l’observer), et pourtant elle n’est pas non plus parfaitement nulle.
“Ajouter des valeurs supplémentaires aux équations” ressemble beaucoup aux théories du tenseur scalaire. Ainsi, depuis que les astronomes ont découvert l’énergie noire à la fin des années 1990, les physiciens ont travaillé pour voir s’il existe un moyen potentiel pour ce modèle de gravité longtemps abandonné d’expliquer le expansion accélérée plus naturellement.
Curieusement, l’ère actuelle n’est pas la seule fois où l’expansion de l’univers s’est accélérée. Les cosmologistes pensent que très tôt dans le Big Bangl’univers a connu une période d’expansion extrêmement rapide connue sous le nom de inflation. Vous vous demandez peut-être s’il existe un lien entre la première période d’inflation et la période moderne d’énergie noire, et vous n’êtes pas le seul.
Fils gravitationnels
Maintenant, Motohiko Yoshimura, physicien à l’Institut de recherche pour les sciences interdisciplinaires de l’Université d’Okayama au Japon, a proposé que les théories du tenseur scalaire fournissent un lien direct entre l’inflation et l’énergie noire.
Dans ce modèle, décrit dans un article publié dans la base de données preprint arXiv, la partie champ scalaire de la théorie du tenseur scalaire (le “tenseur” fait référence à l’espace-temps lui-même) est beaucoup plus forte dans l’univers primitif, déclenchant ainsi l’époque de l’inflation. En fin de gonflage, le champ scalaire s’affaiblit et libère son énergie sous la forme de toutes les particules du Modèle standard (comme les quarks et les électrons).
Surtout, le champ scalaire ne disparaît jamais. Il maintient une certaine présence de fond pendant que l’univers continue d’évoluer, formant étoiles et galaxies en attendant. Puis, après que l’expansion cosmique ait dilué toute la matière à un niveau suffisamment bas, le champ scalaire se déclenche à nouveau – mais à un niveau beaucoup plus faible – donnant lieu à l’ère actuelle de l’énergie noire.
Mais bien que ce soit une histoire intrigante, les astronomes doivent encore tester l’hypothèse. Heureusement, ce modèle produit de nombreuses reliques potentiellement observables de l’univers primitif. Par exemple, dans ce scénario, la gravité peut être si forte à des endroits qui trous noirs se forment spontanément et survivent jusqu’à nos jours. Trouver des preuves de ces trous noirs primordiaux aiderait à renforcer l’idée.
Une autre approche consiste à rechercher les ondes gravitationnelles de l’univers primitif qui restent après l’inflation. Les astronomes peuvent rechercher ces ondes gravitationnelles soit directement, en essayant de les détecter dans le faible bourdonnement de fond de l’univers, soit par leur influence sur ce soi-disant fond de micro-ondes cosmique.
Les physiciens savent que l’énergie noire et l’inflation représentent les limites actuelles de nos connaissances, et seules des suggestions radicales comme celle-ci – et les expériences qui les accompagnent – nous aideront à dépasser cette limite.
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