Sur une carte asymétrique de l'espace des traces de son origine sont visibles

Un motif étrange est visible dans l'image de l'Univers primitif obtenue à partir du télescope Planck: les fluctuations de température dans la partie du ciel à droite de la ligne grise sont plus fortes que dans sa partie à gauche de la ligne

Si notre univers s'est écrasé dans un univers voisin au moment de sa forte croissance dans la première seconde d'existence, alors une telle collision laisserait une marque. Et Matthew Kleban estime qu'il observe exactement une telle piste dans la plus détaillée des photographies existantes de l'aube de l'Univers. L'image satellite confirme la conclusion tirée de la photo précédente: la moitié du jeune espace était plus grossière que l'autre.

Comme il n'y a pas assez d'autres informations sur ce qui s'est passé aux premiers moments de l'existence de l'Univers, Kleban, avec des dizaines de cosmologistes-théoriciens, tente de reconstituer l'histoire de l'origine de l'espace sur la base d'un nouvel indice granuleux.


Matthew Kleban, professeur agrégé de physique à l'Université de New York et l'étudiante diplômée Marjorie Shillo discutent de la collision de deux bulles universelles

"Quand ils se sont écrasés l'un dans l'autre, une onde de choc est apparue qui s'est propagée dans notre univers", a déclaré Kleban. Une telle vague - si c'est précisément ce que montre l'image - servirait de preuve de l'hypothèse multivers, l'idée bien connue mais non prouvée que notre univers n'est que l'un d'un nombre infini d'univers surgissant dans un vaste vide.

La plupart des cosmologistes pensent que cette piste peut être fausse.

"Il s'agit d'un jeu à enjeux élevés", a déclaré Mark Camionkowski , professeur de physique et d'astronomie à l'Université. John Hopkins, qui a proposé plusieurs nouveaux modèles de Big Bang, expliquant l'asymétrie entre les deux moitiés de l'espace. "Nous aimerions en savoir encore plus sur l'origine de l'univers, mais la nature ne nous donne pas trop d'indices." L'asymétrie «peut s'avérer être une déviation statistique», explique Kamionkowski, «ou ce peut être simplement la pointe de l'iceberg.»

Tout le monde jugera le temps ou les tests difficiles.

L'asymétrie de notre univers est tracée dans le rayonnement relique - la rémanence restant à partir du moment où l'univers est devenu transparent 380 000 ans après le Big Bang. Le brouillard de particules chargées, qui jusque-là remplissait l'espace, était suffisamment refroidi pour se condenser en atomes neutres et libérer de la lumière qui, pour la première fois, pouvait voyager sans encombre. Au cours des dernières années, le satellite Planck de l'Agence spatiale européenne a collecté une image de 50 mégapixels de cette lumière émanant de tous les côtés, et pour chaque photon reçu, la température avec laquelle il a été émis il y a 13 milliards d'années est enregistrée.



Les cosmologistes pensent que les fluctuations quantiques de l'époque du Big Bang se sont étendues pendant la croissance exponentielle, connue sous le nom d'inflation, et se sont transformées en endroits chauds et froids qui ont servi de graines de galaxies et de vides.

Le rayonnement relique montre que la température dans l'Univers vieux de 380 000 ans était presque uniforme et ne s'écartait de la moyenne que de 1 partie sur 100 000. On pense que les zones relativement froides et chaudes - les germes des futures galaxies et des vides - provenaient de fluctuations quantiques, aléatoires éclats d'énergie amplifiés lors de la croissance exponentielle au premier moment de l'existence de l'univers, connu sous le nom d'inflation.

Les cosmologistes veulent retracer ce processus jusqu'à la cause de son apparition.

En l'absence d'idées sur le fonctionnement de la physique dans l'état extrêmement chaud et comprimé qui existait dans l'Univers nouveau-né, les physiciens utilisent le «modèle jouet» de l'événement: le champ d'inflation, qui remplit tout l'espace, est entré dans un état instable après environ 10 à ³⁶ s après le Big Bang, ce qui a conduit à un ballonnement spatial de 10 ⁷⁸ fois, après quoi le champ d'inflation s'est à nouveau stabilisé après 10 à ³⁰ s. Selon ce modèle, le cosmos était censé s'étirer uniformément et se transformer en une distribution ponctuelle uniformément aléatoire des zones chaudes et froides du CMB. Mais les données réfutent cette opinion.

«D'une part, les patchs chauds et froids sont plus chauds et plus froids que de l'autre», explique Kamionkowski.

La sonde d'anisotropie à micro-ondes de Wilkinson , ou WMAP, a découvert pour la première fois des preuves que les fluctuations de la moitié du rayonnement CMB sont plus fortes que l'autre en 2007. Mais alors cela pourrait être attribué à une erreur de mesure. La carte de Planck a renforcé ces preuves et a montré des fluctuations plus détaillées, ce qui a permis aux physiciens de laisser tomber plusieurs explications et d'en trouver plusieurs autres.

L'asymétrie des fluctuations de température de l'Univers, ainsi que la différence topographique dans les territoires des États-Unis, sont mieux visibles aux plus grandes échelles. Un mètre carré de terrain dans le Colorado n'est pas beaucoup plus accidenté qu'un mètre carré dans l'Indiana, mais avec une augmentation des montagnes et des vallées du Colorado, elles deviennent beaucoup plus visibles. "Une partie du ciel peut être imaginée comme l'Indiana et l'autre comme le Colorado", explique Donghu Jong, Ph.D. du groupe Kamionkowski. - Ces fluctuations sont très étranges. Il est difficile d'imaginer pourquoi ils sont nés. "

Certains cosmologistes pensent qu'il s'agit d'une déviation statistique. Les chances qu'une telle asymétrie apparaisse accidentellement à la naissance de l'Univers sont de l'ordre de 0,1% à 1% - à peu près les mêmes que les chances d'une pièce retournée pile huit fois de suite.

«Si j'y mettais de l'argent, je parierais sur les fluctuations», a déclaré Sean Carroll , cosmologiste au California Institute of Technology. - Mais le fait est que nous ne jouons pas pour de l'argent. Si ces informations nous disent quelque chose sur le premier univers, cela peut être extrêmement important. "

Les cosmologistes ont déjà avancé plusieurs théories concurrentes qui expliquent comment les événements pendant et immédiatement après le Big Bang pourraient créer cette asymétrie.

Peu de gens croient que le modèle de jouet, dans lequel le champ de l'inflation est soudainement apparu, peut pleinement expliquer ce qui a donné naissance à l'univers. Ce champ peut s'avérer être l'une des dimensions supplémentaires réduites de l'espace, que la «théorie de tout» hypothétique nous dit, la théorie des cordes, dans laquelle, très probablement, il devrait y avoir plusieurs champs inflationnistes. Dans un travail sur arXiv.org, John MacDonald , un cosmologiste de l'Université de Lancaster en Grande-Bretagne, a montré qu'un modèle à deux champs peut expliquer l'asymétrie du rayonnement relique si le deuxième champ curvatonique se désintègre à la fin de l'inflation et après la formation de matière noire.

Comme autre explication donnée dans un article de la revue Physical Review D, Kamionkowski et ses collègues ont calculé que l'asymétrie pouvait résulter de variations de certains paramètres cosmologiques à différents endroits de l'univers. L'un des modèles les plus probables, qui décrit un changement de 6% du paramètre d'un bout à l'autre de l'Univers, "est en assez bon accord avec les observations", a déclaré Kamionkowski. Le paramètre peut être lié à divers défauts spatio-temporels qui, selon certaines théories, pourraient devenir des catalyseurs d'inflation.



Ou, comme Kleban et ses collègues le montrent dans un article publié dans Physical Review D et dans son prochain travail, l'asymétrie pourrait apparaître à la suite d'une collision brutale de deux univers ou de deux points de notre Univers. Dans l'hypothèse multivers, les bulles doivent souvent se rapprocher et entrer en collision. Les bulles peuvent également entrer en collision avec elles-mêmes lors de l'expansion autour d'une dimension spatiale tordue (on peut imaginer un cercle se développant à la surface d'un cylindre). Une telle collision pourrait déclencher l'inflation.

Si l'onde de choc d'une telle collision peut être vue dans le rayonnement relique, ce sera une preuve claire en faveur de la théorie du multivers, dit Kleban. Mais, très probablement, le bord de l'onde de choc a disparu derrière l'horizon de la partie observable de l'Univers, laissant derrière lui, comme si un navire passait, une légère turbulence. Sur la carte de Planck, les restes étirés d'une telle trace peuvent être représentés.

Ces résidus "affecteront les plus grandes structures que nous observons", a déclaré Kleban. Ils auraient dû augmenter en taille avec l'expansion de l'Univers, ce qui aurait dû conduire à un effet similaire aux différences topographiques entre le Colorado et l'Indiana.

Étant donné que chaque modèle d'inflation suivant donne ses prédictions sur la direction de polarisation de la lumière ancienne, une nouvelle «carte de polarisation» du CMB aidera à choisir la bonne parmi les hypothèses. Pour l'instant, les théoriciens doivent ajuster leurs théories du Big Bang aux données disponibles. "Il y aura toujours des choses improuvables en raison d'un manque de la bonne technologie", a déclaré Kleban. "Il suffit de faire des tentatives et de faire de son mieux."