Le Cosmos avant le Big Bang

Le Cosmos avant le Big Bang

Modèles de Friedman : un autre big bang (big bang big crunch big bang big crunch…) en expansion infinie géométrie euclidienne ou hyperbolique.

 

Modèle micro-métrique micro big bang

Modèle sans big bang modèles pulsants expansion contraction création de matière lors des expansions. Modèles à création continue de matière. Modèle de Alfven exploite davantage la force électromagnétique.

Modèles quantique

Quel est donc l’état actuel de la cosmologie ? L’Univers est décrit par une structure spatio-temporelle munie d’un contenu matériel (matériel et rayonnement), dont le couplage et la dynamique sont régis par la théorie de la relativité générale. Ce cadre formel permet de concevoir une grande variété de modèles d’univers, dont les prédictions doivent être confrontées aux observations. Les astrophysiciens retiennent les solutions qui décrivent un univers homogène (c’est-à-dire avec de la matière uniformément répartie dans tout l’espace), en expansion depuis une singularité initiale remontant à une quinzaine de milliards d’années. Ce sont les modèles standards de big bang.

Les questions de fond posées par les modèles standard de big bang concernent la singularité initiale (en mathématiques, une singularité est un point où certaines quantités deviennent infinies : ici la courbure, la température, la densité d’énergie, etc.) et la topologie de l’espace-temps. Elles mettent sans doute en jeu la validité même de la relativité générale. En effet, en tant que singularité d’une théorie non quantique, le Big Bang serait une limite absolue à la compréhension du début de l’Univers, puisque les lois de la physique n’y sont plus valables, ni même les concepts les plus élémentaires d’espace et de temps. Quant à la topologie de l’Univers (l’espace est-il fini ou infini, orienté ou non ?), la relativité générale n’en rend même pas compte, puisqu’elle ne permet de traiter que des propriétés géométriques locales de l’univers, et non des caractéristiques globales.

A bien y regarder, ces deux questions sont liées à celles de l’infini. La cosmologie est le royaume privilégié des infinis : infinis de l’espace, du temps passé et du temps futur ; infinis, grands ou petits, de température, de pression, d’énergie, de dimensions, liés à la singularité initiale. Les premiers sont discutés depuis trois millénaires, les seconds sont apparus avec la théorie de la relativité générale (aussi bien dans les modèles de big bang que dans ceux d’effondrement gravitationnel conduisant aux fameux « trous noirs »).

Le Big Bang

Explosion primordiale. Accessible aux mathématiques et plus précisément à la topologie. Inaccessible pour la physique. Nouvel âge de l’univers, il y a 16 à 17 milliards d’années (âge de l’amas NGC 6752 15Ga+ formation des premiers amas 1 à 2Ga+ = 16 à 17 Ga) S&Av 07/96.

 

Modèle standard

Le terme « standard » signifie que des simplifications supplémentaires sont supposées : ne sont pas prises en compte la constante cosmologique (qui décrit une sorte de répulsion s’exerçant à l’échelle de l’univers lui-même), les complications topologiques de l’espace-temps ni ses propriétés quantiques. Malgré leur grande simplicité, les modèles standards de big bang fournissent une excellente description de l’univers durant une grande partie de son évolution, expliquant le noir du ciel, le décalage vers le rouge des galaxies, la proportion des éléments chimiques légers, le nombre d’espèces différentes de neutrinos, l’existence d’un rayonnement diffus de corps noir à la température de 2,73 Kelvins uniformément réparti sur le fond du ciel, et les petites irrégularités observées dans ce rayonnement.

 

A ce stade d’évolution, la matière n’était pas encore née, seul le « vide » régnait, mais attention ! Le vide de l’Univers n’était pas vide : il comprenait de nombreuses particules virtuelles de matière et d’antimatière qui apparaissaient et disparaissaient comme des bulles de savon. Notre Univers actuel est peut-être issu de l’une de ces fluctuations quantiques du vide !

L’Univers est sous l’influence de la super gravité. La structure même de l’espace et du temps se dilate. Le temps lui-même, serait né et se serait dilaté en même temps que l’espace. La vitesse d’expansion se fait progressivement de plus en plus lente au fur et à mesure du déploiement spatial de l’Univers.

 

10-43 seconde correspond à ce que l’on dénomme le temps de Planck, « unité » de temps incompressible. Cet intervalle de temps semble être le plus petit possible selon la physique quantique, de la même manière que la distance de Planck (10-35 m) semble être la plus petite distance accessible à notre physique.

Super Unification. Cette phase primordiale de l’Univers est le domaine de la Superforce (appelée aussi gravité quantique) qui unifiait alors les 4 forces fondamentales : nucléaire forte, nucléaire faible, électromagnétique et gravitationnelle. Chaque force étant associée à une famille de particules. Température 1032° C.

Bosons : particules médiatrices d’interaction Spin = 1

L’unification peut être aussi réalisée en unifiant toutes les particules élémentaires en une seule : c’est la théorie des supercordes et de la supersymétrie.

Il existerait, peut-être, de nombreuses autres dimensions, comme semble l’indiquer cette théorie. Ces dimensions se seraient ensuite « enroulées » sur elles-mêmes pour laisser l’Univers évoluait selon les 4 dimensions de l’espace-temps que nous connaissons actuellement.

Cette très hypothétique Superforce unifierait toutes les particules connues (plus d’autres inconnues) en faisant appel à deux autres théories :

● La Supersymétrie : une seule Superforce, laquelle aurait comme propriété une supersymétrie qui unirait les fermions (particules de matière) aux bosons (particules de force). La supersymétrie transforme la fonction d’onde (représentation mathématique de l’état quantique) d’une particule ordinaire en celle d’une hypothétique superparticule (appelée sparticule) en modifiant d’une demi-unité de valeur de son spin (rotation de la particule sur elle-même).

● Les Supercordes : selon cette théorie révolutionnaire, les particules élémentaires ne sont plus considérées comme des points mais comme de petites cordes. On parle de supercordes car cette théorie obéit aux lois de la supersymétrie. Certaines cordes se refermeraient en boucles, d’autres seraient ouvertes et comporteraient donc deux extrémités. Mais leur longueur à toutes seraient des milliards de milliards de fois inférieure à celle d’un noyau d’atome. A plus grande échelle, elles apparaîtraient comme de simples points et l’on retrouverait alors l’aspect de nos particules « habituelles ». L’échelle de dimension des supercordes approche donc 10-33 cm, c’est-à-dire la longueur limite de Planck.

 

La matière n’est finalement constituée que de cordes à 10 dimensions ! Mais alors, où sont ces 6 dimensions cachées qui s’additionnent à nos 4 dimensions spatio-temporelles habituelles ?

Il faut donc s’imaginer ces 6 mystérieuses dimensions enroulées sur elles-mêmes sur un diamètre de 10-33 cm, la fameuse et mystérieuse longueur de Planck au-delà de laquelle notre physique humaine semble incapable de décrire le monde.

Lorsque deux supercordes interagissent, elles se fondent l’une dans l’autre, et elles peuvent par la suite se scinder à nouveau en plusieurs supercordes d’harmonie différente.

Il faut donc avouer qu’il n’existe, non pas une, mais cinq familles de théories des supercordes qui s’opposent radicalement. Néanmoins, des progrès récents conduisent à penser que ces différentes théories ne sont que des cas limites d’une théorie unique appelée théorie M, laquelle décrirait les interactions de petites cordes et membranes… Hélas, les dimensions des supercordes sont hors de portée des collisionneurs actuels aucun résultat expérimental n’a été obtenu pour confirmer l’existence des supercordes.

Modèles quantiques d’Univers chiffonné

10-43 s période dite de grande unification.

Environ 10-33 cm de diamètre, c’est-à-dire 10 millions de milliards de fois plus petit qu’un atome d’hydrogène ! Sa température est de 1032 degrés Kelvin (0° K = -273° C). La superforce se scinde en deux forces.

La gravitation

La gravitation quitte le monde quantique. Désormais, son action à l’échelle des particules sera négligeable sauf dans des cas extrêmes (explosion d’étoiles par exemple). C’est à la gravitation que l’on doit beaucoup plus tard le phénomène d’accrétion des planètes. 4,5 Ga de travail pour obtenir quelques planètes ! C’est aussi à elle que l’on doit l’organisation de la planète en régions denses et donc la formation des galaxies.

La force électronucléaire

La force électronucléaire regroupe les interactions forte et électrofaible (nucléaire faible, électromagnétique). Elle est décrite par la théorie actuelle de Grande Unification ou TGU.

 

10-35 s inflation et séparation des forces

1028 degrés Kelvin. Entre 10-35 et 10-32 seconde, son volume augmente d’un facteur 1027 (ou 1050 selon d’autres sources) alors que dans les 15 milliards d’années suivantes, son volume n’augmentera que d’un facteur 109.

La Théorie de la Grande Unification des forces (TGU) : A ce moment précis de l’évolution universelle se séparent l’interaction forte et l’interaction électrofaible. Avec la gravitation, il existe donc désormais trois forces distinctes dans l’Univers. Cette théorie a été proposée pour la première fois par Sheldon Glashow et Howard Georgi en 1973.

 

10-32 s de l’inflation à l’expansion

L’Univers a la taille d’une orange et sa température est de 1025° K perpétuelle annihilation – matérialisation ! Des quarks et des antiquarks.

La création initiale des couples particules-antiparticules ne va pas se faire de façon parfaitement symétrique : un petit excédent de matière va apparaître.

Pour 1.000.000.000 d’antiquarks créés, il y a 1.000.000.001 de quarks créés, et donc 1 seul quark survivant à la future grande annihilation. Un rapport de 1 pour 1 milliard ! Et voici comment une brisure de symétrie est responsable de l’existence de la matière dont nous sommes actuellement constitués !

10-20 s soupe de particules Quark électrons antiparticules

10-12 s unification des forces faibles et électromagnétiques.

Naissance des leptons.

Température = 1015 ° K.

L’Univers se refroidit toujours et grossit pour devenir une sphère de 300 millions de kilomètres.

L’interaction électrofaible se dissocie à son tour en interactions faibles et électromagnétiques. Les 4 interactions fondamentales de l’Univers sont donc différenciées comme elles le sont toujours actuellement.

Les interactions faibles et électromagnétiques ont été unifiées par le biais de l’interaction électrofaible. En 1979, deux physiciens américains Sheldon Lee Glashow et Steven Wienberg et un physicien pakistanais (Abdus Salam). Prix Nobel de physique 1967).

 

Champ de Higgs (du nom du physicien écossais Peter Higgs) se manifestant par l’intermédiaire d’un mystérieux boson appelé évidemment boson de Higgs. Ce champ n’agit qu’avec les bosons intermédiaires Z°, W- et W+ pour leur donner une masse, mais ne se couple pas avec le photon, préservant ainsi sa masse nulle. Une fois que le champ de Higgs s’est manifesté, les deux interactions, électromagnétique et faible, se distinguent l’une de l’autre, on dit qu’il y a brisure de symétrie.

Dès lors que ce mécanisme de Higgs est introduit dans les équations, la théorie électrofaible fonctionne parfaitement bien. Elle a permis de prédire, avec précision, la masse des bosons intermédiaires bien avant leur découverte par Rubbia.

Seul point faible : le boson de Higgs n’a encore jamais été détecté et son existence est indispensable pour valider la théorie électrofaible. On espère sa découverte grâce au super-collisionneur de hadrons LHC de Cern à Genève, opérationnel en 2008.

La découverte du boson de Higgs nécessite, en effet, des énergies énormes de l’ordre de 100 GeV (Giga-électron Volts). Seul le LHC sera capable  de recréer en son sein un environnement d’une telle densité d’énergie. Or, c’est à cette échelle énergétique que les physiciens pourront, peut-être, observer l’apparition du boson de Higgs, puisque ces 100 GeV correspondent à sa masse estimée.

Leptons regroupent les électrons, muons, tau et leurs neutrinos correspondants, ainsi que leurs antiparticules.

10-6 s à 1 s  La matière visible

 

C’est là que les mathématiques laissent leur place aux sciences physiques.

De 10-6 à 1 s les quarks et les antiquarks s’agglutinent en Baryons et antibaryons qui s’annihilent. Un résidu de baryons de 1/1.000.000.000 demeure pour former la matière visible (problème de la masse manquante de l’Univers = 80 %).

Température = 1013° K.

Le volume de l’Univers est équivalent au système solaire actuelle, soit 1013 m.

La baisse de température fait que les quarks n’ont plus assez d’énergie pour exister seuls : l’interaction forte peut alors grouper les quarks en hadrons.

● 3 quarks forment des baryons : les protons et les neutrons naissent.

● 3 antiquarks forment des antibaryons : antiprotons et antineutrons.

● Les paires quark-antiquark forment des mésons.

La fin de cette période marque aussi la disparition des antiquarks.

De 0,0001 à 1 seconde : la phase des leptons.

Température = 1010° K ou 10 milliards de degrés.

Deuxième grande annihilation de matière et d’antimatière, elle concerne cette fois les leptons et leurs antiparticules. En effet, les photons, épuisés par l’expansion de l’Univers, n’ont plus assez d’énergie pour se convertir (par matérialisation) en paire électron-antiélectron.

Les paires leptons-antileptons subissent ainsi le sort des hadrons : ils s’annihilent dans un océan de photons et seule une fraction d’un milliardième de leptons survit à l’hécatombe. Exit l’antimatière de l’Univers !

La matière est désormais au grand complet, mais la température est toujours trop élevée pour que les atomes puissent se former. L’Univers est grosse masse lumineuse de plasma brûlant formé de hadrons et de leptons célibataires.

Les neutrinos cessent d’interagir avec la matière et s’en séparent.