L'idée de singularité avant le Big Bang est dépassée

Une illustration de notre histoire cosmique, du Big Bang à nos jours, dans le contexte d'un Univers en expansion. Le big bang a été précédé d'un état d'inflation cosmique, mais l'idée qu'une singularité devait exister avant cela était terriblement dépassée.

Presque tout le monde a entendu parler du Big Bang. Mais si vous demandez à différentes personnes, des gens ordinaires aux cosmologistes, de terminer la phrase: «Au début, c'était ...», vous obtiendrez de nombreuses réponses différentes. L'une des plus courantes est la "singularité", c'est-à-dire le moment où toute la matière et l'énergie de l'Univers sont concentrées en un point. La température, la densité et l'énergie seraient arbitrairement, infiniment grandes, et cela pourrait coïncider avec l'émergence de l'espace et du temps lui-même.

Mais cette photo n'est pas juste fausse, elle a déjà 40 ans, quel âge! Nous sommes absolument sûrs qu'aucune singularité n'était associée au chaud Big Bang, et l'espace et le temps pourraient ne pas avoir du tout un moment d'origine. C'est ce que nous savons et d'où.


L'observation astronomique GOODS-North à l'aide du télescope Hubble a permis d'examiner certaines des galaxies les plus éloignées que nous ayons jamais vues, dont beaucoup sont déjà à une distance inaccessible pour nous. En regardant de plus en plus loin, nous constatons que les galaxies les plus éloignées s'éloignent de nous de plus en plus vite, grâce à l'expansion de l'Univers.

L'univers d'aujourd'hui est rempli de galaxies dans toutes les directions et à différentes distances. En moyenne, plus une galaxie est éloignée de nous, plus elle s'éloigne rapidement de nous. Cela n'est pas dû au mouvement réel des galaxies dans leur espace local; toute la faute de l'expansion du tissu de l'espace.

Une telle prédiction était l'un des résultats inhabituels obtenus de la théorie générale de la relativité en 1922 par le physicien soviétique Alexander Fridman , qui a ensuite été confirmé dans les observations d'Edwin Hubble et d'autres scientifiques dans les années 1920. Cela signifie qu'avec le temps, la matière de l'Univers se disperse et devient moins dense, à mesure que le volume de l'Univers augmente. Cela signifie également que dans le passé, l'Univers était plus dense, plus chaud et plus homogène.


En extrapolant le développement, nous arrivons aux états plus chauds et plus denses antérieurs. Tout cela conduit-il à une singularité dans laquelle les lois de la physique cessent de fonctionner?

En extrapolant le développement dans le temps, vous commencerez à remarquer plusieurs changements importants dans l'univers. En particulier:

• Vous arriverez à une époque où la gravité n'a pas eu le temps de former des amas de matière suffisamment grands pour l'apparition d'étoiles et de galaxies.
• Ensuite, vous arriverez là où l'Univers était si chaud que vous ne pourriez pas former d'atomes neutres.
• Ensuite, il y aura un état dans lequel même les noyaux d'atomes seront divisés en parties.
• Ensuite - où les paires de particules de matière antimatière apparaîtront spontanément.
• Ensuite - où les protons et les neutrons individuels se désintégreront en quarks et en gluons.

En physique, la physique ordinaire s'effondre, y compris le moment du tout début de l'Univers. Cependant, atteindre un état arbitrairement chaud et dense a ses conséquences, dont beaucoup ne sont pas confirmées par des observations.

Chaque étape représente l'Univers de plus en plus jeune, petit, dense et chaud. En continuant l'extrapolation, nous verrons que la densité et la température atteignent des valeurs infinies, à un moment où toute la matière et l'énergie de l'Univers étaient contenues à un moment donné: dans une singularité. Le Hot Big Bang, comme on le pensait à l'origine, n'était pas seulement un état chaud, dense et en expansion, mais aussi le moment où toutes les lois de la physique ont cessé de fonctionner. C'était la naissance de l'espace et du temps, une façon de faire surgir soudainement l'univers de nulle part. Ce fut l'acte de création originel: la singularité associée au Big Bang.


Les étoiles et les galaxies que nous voyons aujourd'hui n'ont pas toujours existé. Plus nous remontons dans le temps, plus l'univers se rapprochera d'une singularité - mais l'extrapolation a ses limites.

Cependant, si tout était juste cela, et que l'Univers dans le passé avait des températures arbitrairement élevées, un tel état aurait plusieurs signes évidents qui pourraient être observés aujourd'hui. Dans la lueur résiduelle du Big Bang, il y aurait des fluctuations de température d'énormes amplitudes. Les fluctuations visibles pour nous seraient limitées par la vitesse de la lumière; elles n'apparaîtraient qu'à des échelles pas plus grandes que l' horizon cosmique . Les reliques de l'espace à haute énergie, comme les monopôles magnétiques, auraient dû rester.

Et pourtant, les fluctuations de température ne dépassent pas 1/30 000, ce qui est des milliers de fois inférieur à ce que prévoit le singulier Big Bang. Il existe des fluctuations dépassant l'horizon, ce qui est confirmé de manière fiable par les satellites WMAP et Planck. Et les restrictions à l'existence de monopôles magnétiques et d'autres reliques à ultra-haute énergie sont extrêmement fortes. L'absence de signes de leur présence a de graves conséquences: dans l'Univers, il n'y a jamais eu de températures arbitrairement élevées.


Les fluctuations du rayonnement CMB sont si petites et si caractéristiques qu'elles impliquent définitivement le fait qu'au début de l'Univers la même température était partout. La taille des fluctuations de 1/30 000 ne correspond pas du tout au Big Bang de température arbitraire.

Il doit y avoir une sorte de frontière. Nous ne pouvons pas extrapoler arbitrairement loin, à un état chaud et dense avec une température arbitrairement élevée. Il y a une restriction sur jusqu'où nous pouvons aller, et en même temps décrire correctement notre univers. Au début des années 1980, une théorie est apparue qu'avant que notre Univers ne soit chaud, dense, en expansion, se refroidissant et rempli de matière et de rayonnement, il a connu un état d'inflation. La présence de la phase d' inflation cosmique aurait dû signifier que l'Univers:

• était rempli d'énergie spatiale inhérente
• conduisant à une croissance exponentielle rapide,
• qui a étiré l'univers à un état plat,
• lui a donné les mêmes propriétés partout
• avec des fluctuations quantiques de faible amplitude,
• s'étendant à toutes les échelles (dépassant même l'horizon),
• puis l'inflation a pris fin.

L'inflation provoque une expansion exponentielle de l'espace, ce qui peut rapidement conduire au fait que l'espace initialement incurvé ou non lisse semble plat. Même si l'Univers est courbé, le rayon de sa courbure est au moins des centaines de fois plus grand que ce que nous pouvons détecter.

Lorsque l'inflation se termine, elle transforme l'énergie inhérente à cet espace lui-même en matière et en rayonnement, ce qui donne lieu au Big Bang chaud. Mais cela ne conduit pas à un Big Bang arbitrairement chaud - seulement à un qui atteint une température maximale des centaines de fois inférieure à la température qui peut générer une singularité. En d'autres termes, cela conduit à un Big Bang chaud, résultant de l'état inflationniste, et non de la singularité.

Les informations existant dans notre partie observable de l'Univers, que nous pouvons mesurer, grâce à l'accès à celui-ci, ne correspondent qu'aux 10 à ³³ dernières secondes d'inflation, et tout ce qui s'est passé par la suite. Si vous voulez savoir combien de temps l'inflation a duré, nous n'en avons aucune idée. Cela a duré au moins un peu plus de 10 à ³³ secondes, mais si cela a duré un peu plus longtemps, beaucoup plus longtemps ou a duré un temps infini - ce n'est pas seulement inconnu, il ne peut pas être reconnu.


L'histoire cosmique du célèbre univers montre que l'origine de toute matière et de toute la lumière à l'intérieur est due à la fin de l'inflation et au début du Big Bang chaud. Depuis lors, 13,8 milliards d'années ont passé l'évolution cosmique. Cette image du développement est confirmée par la plupart des sources.

Qu'est-ce qui a causé l'inflation? De nombreuses recherches et discussions sont en cours sur ce sujet, mais personne ne le sait. Il n'y a aucune preuve sur laquelle s'appuyer, aucune observation qui pourrait être faite, aucune expérience qui pourrait être faite. Certaines personnes font des déclarations erronées comme:

Nous avions une théorie de la singularité du Big Bang qui a donné naissance à un univers chaud, dense et en expansion, avant de nous renseigner sur l'inflation; l'inflation n'est qu'une étape intermédiaire. Par conséquent, nous obtenons ce qui suit: singularité, inflation, Big Bang chaud.

Il existe de nombreux graphiques et images créés par d'éminents cosmologistes pour illustrer ce scénario. Mais cela ne signifie pas qu'il est fidèle.


Illustration des fluctuations de densité (scalaire) et des ondes gravitationnelles (tenseur) apparues à la fin de l'inflation. L'hypothèse de l'existence d'une singularité avant inflation n'est pas nécessairement vraie.

Il y a de très bonnes raisons de croire que ce n'est pas le cas! Nous pouvons démontrer mathématiquement l'impossibilité de faire émerger un état inflationniste d'une singularité. Et voici pourquoi: l'espace se développe à un rythme exponentiel pendant l'inflation. Imaginez comment fonctionne un exposant: après un certain temps, l'Univers double sa taille. Deux fois plus de temps passera, il doublera deux fois, c'est-à-dire qu'il deviendra quatre fois plus. Attendez trois de ces périodes et il doublera trois fois, c'est-à-dire qu'il deviendra 8 fois plus grand. Attendez 10 ou 100 de ces durées, et ces doublements rendront l'Univers 2 ¹⁰ ou 2 ¹⁰⁰ fois plus grand.

Ce qui signifie que si nous retournons au passé pour la même période de temps, ou deux, ou trois, ou 10 ou 100 fois plus grand, l'Univers sera de plus en plus petit, mais il n'atteindra jamais zéro. Elle sera respectivement de la moitié, un quart, 1/8, 2 ^-10 , 2 ^-100 de la taille d'origine. Mais peu importe jusqu'où nous allons, nous n'arriverons jamais à une singularité.


Les lignes bleues et rouges sont le scénario traditionnel du Big Bang, lorsque tout commence au temps t = 0, y compris l'espace-temps lui-même. Dans le scénario inflationniste (jaune), nous n'arrivons jamais à une singularité dans laquelle l'espace prend un état singulier. Il peut devenir arbitrairement petit dans le passé et le temps passe pour toujours. La condition de l'absence de frontières Hawking-Hartle et le théorème de Bord-Gut-Vilenkin tentent de déterminer la durée de cet état, mais ils ne peuvent pas être qualifiés de définitifs.

Parmi les cosmologistes, un théorème est bien connu qui démontre le caractère incomplet de l'état inflationniste passé. Cela signifie que toutes les particules existantes dans l'Univers subissant une inflation se rencontreront tôt ou tard lors de l'extrapolation dans le temps. Cependant, cela ne signifie pas que la singularité existait nécessairement - la simple inflation ne décrit pas tout ce qui s'est passé dans l'histoire de l'Univers, par exemple, sa naissance. Nous savons également que l'inflation ne peut pas émerger d'un état singulier, car la section qui connaît l'inflation doit toujours partir d'une taille finie.


Les fluctuations de l'espace-temps à une échelle quantique pendant l'inflation s'étendent dans tout l'univers et provoquent des imperfections de densité et des ondes gravitationnelles. Que l'inflation soit née d'une singularité ou non, nous ne le savons pas.

Chaque fois que vous voyez un graphique, un article ou une histoire sur la «singularité du big bang» ou une autre singularité qui existait avant l'inflation, sachez que vous avez affaire à une pensée dépassée. L'idée de la singularité du Big Bang a perdu sa pertinence dès que nous avons réalisé qu'avant l'état chaud et dense du Big Bang, il y avait un autre état - l'inflation cosmique - qui a préparé et lancé le Big Bang. Au tout début de l'espace et du temps, il pourrait peut-être y avoir une singularité à l'origine de l'inflation - mais il n'y a aucune garantie. Il y a des choses dans la science qui peuvent être vérifiées, mesurées, prédites, confirmées ou réfutées - par exemple, l'inflation, qui a provoqué le Big Bang chaud. Tout le reste n'est rien d'autre qu'une spéculation oiseuse.

Et c'est la dernière traduction Habré d'un article d'Ethan Siegel (et, en principe, un article sur la cosmologie), puisqu'il a été décidé de se concentrer sur le sujet de la ressource sur le développement et l'informatique.