En accord avec la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage...) de la relativité générale (La relativité générale est une théorie relativiste de la gravitation. Dans ce cadre, la présence d'une masse déforme...) d'Einstein, le Big Bang (Le Big Bang[1] désigne l’époque dense et chaude qu’a connue l’univers il y a environ 13,7 milliards...) représente le Début de l’Univers, le Grand Evénement lors duquel non seulement la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont...) mais aussi l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite par Minkowski en 1908 dans un exposé mathématique sur la géométrie de...) sont nés. Tandis que les théories classiques n'offrent aucun indice sur un éventuel "avant" de cet événement, une équipe de chercheurs de l’université de Penn State a utilisé la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) quantique pour tenter d’esquisser ce qui pourrait s’être produit plus tôt.

"La relativité générale peut être utilisée pour décrire l'Univers en remontant dans le temps (Le temps est un concept développé pour représenter la variation du monde : l'Univers n'est jamais figé, les...) jusqu’à un moment où la matière devient si dense que ses équations ne le supportent plus", explique Abhay Ashtekar, directeur de l'institut de physique (La physique (du grec φυσικη) est étymologiquement la science de la nature. Son champ...) et de géométrie gravitationnelles de Penn State. "Au delà de ce point (Graphie), nous devons appliquer les outils quantiques dont ne disposait pas Einstein". En combinant la physique quantique et la relativité générale, Ashtekar et deux de ses collaborateurs, Tomasz Pawlowski et Parmpreet Singh, ont pu développer un modèle "traversant" le Big Bang vers un Univers en contraction qui présente une physique semblable à la nôtre.

Dans un article publié dans Physical Review Letters, l'équipe montre que, préalablement au Big Bang, il existait un Univers en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en...) de contraction, dont la géométrie spatio-temporelle était semblable à celle de notre Univers en expansion actuel. Les forces gravitationnelles ont fait se rétracter cet Univers antérieur, jusqu’à ce qu’il atteigne un point où les propriétés quantiques de l'espace-temps rendent la gravitation répulsive.


"En utilisant des modifications quantiques des équations cosmologiques d'Einstein, nous avons montré qu’au lieu d'un classique Big Bang il s’est produit en fait un rebondissement quantique", explique Ashtekar. "Nous étions si surpris par la découverte d’un Univers pré-Big Bang que nous avons répété les simulations avec différentes valeurs des paramètres pendant plusieurs mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.), mais nous avons constaté que le scénario d’un ‘Grand Rebond’ (Big Bounce) était robuste".

L’idée d'un autre Univers existant avant le Big Bang a déjà été proposée auparavant (voir par exemple notre récente news), mais c'est la première description mathématique qui établit systématiquement son existence et en déduit les propriétés de sa géométrie spatio-temporelle.

Les chercheurs ont utilisé la notion de gravitation quantique à boucles, une approche essentielle concernant l'unification de la relativité générale et de la physique quantique. Dans cette théorie, la géométrie de l'espace-temps lui-même possède une structure "atomique" discrète (les surfaces et les volumes d’espace sont eux-mêmes quantifiés) et notre continuum familier n’est qu’une approximation. (Cette théorie s’oppose à la théorie des supercordes). A proximité du Big Bang, le tissu spatial est violemment déchiré et la nature quantique de sa géométrie devient primordiale. La gravitation devient fortement répulsive, ce qui provoque le Grand Rebond.

"Notre travail présume un modèle homogène de notre Univers", remarque Ashtekar. "Cependant, il nous a donné confiance dans les idées qui sous-tendent la gravitation quantique à boucles. Nous allons continuer à affiner le modèle pour mieux dépeindre l'Univers tel que nous le connaissons et pour mieux comprendre les caractéristiques de la gravitation quantique".