Avancée importante dans la compréhension de l'univers primordial
Publié par Redbran le 22/11/2019 à 08:00
Source: CNRS INSU
Une signature exotique dans la rémanence du Big Bang discrimine nombre de théories récentes décrivant l'univers primordial

L'inflation cosmologique, une époque d'expansion accélérée de l'univers primordial, fournit une explication naturelle à la présence de minuscules fluctuations d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), qui constituent les graines à partir desquelles se développent les grandes structures de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Une équipe de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) d'Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des...) de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de la Seine...) (IAP, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) / Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le fondateur du...) Université) explique que dans une grande classe de modèles inflationnaires motivés par la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ;...) des hautes énergies, une instabilité induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force...) une déviation importante au caractère gaussien de la statistique (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation...) des fluctuations primordiales, excluant nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de propositions théoriques récentes.


Amplification exponentielle (La fonction exponentielle est l'une des applications les plus importantes en analyse, ou plus généralement en mathématiques et dans ses domaines d'applications. Il existe plusieurs...) des spectres de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :), normalisés à leur valeur sans instabilité, des fluctuations perpendiculaires à la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) inflationnaire (orange) et parallèles à celle-ci (noir). Ce dernier type correspond aux fluctuations de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le...) d'énergie observées dans le fond diffus cosmologique (Le fond diffus cosmologique est un rayonnement électromagnétique provenant de l'Univers, et qui frappe la Terre de façon quasi uniforme dans toutes les directions.).

L'inflation cosmologique constitue le paradigme actuel de l'univers primordial. En effet, cette phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) d'expansion accélérée permet non seulement d'expliquer l'homogénéité presque parfaite de l'univers, telle qu'observée dans le fond diffus cosmologique émis il y a plus de 13,8 milliards d'années, mais prédit aussi avec grande précision les propriétés statistiques des minuscules fluctuations d'énergie de celui-ci. Cependant, la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) inflationnaire telle que décrite par les modèles les plus simples est difficile à inscrire dans un cadre théorique rigoureux. Il est par exemple notoire qu'un potentiel scalaire (Un vrai scalaire est un nombre qui est indépendant du choix de la base choisie pour exprimer les vecteurs, par opposition à un pseudoscalaire, qui est un nombre qui peut dépendre de la base.) très plat, nécessaire pour ces modèles, n'est pas naturel dans une théorie quantique. Par conséquent, les tentatives pour rendre le paradigme inflationnaire plus cohérent sont nombreuses.

Les cosmologistes s'inspirent en particulier de théories de physique des hautes énergies — comme la théorie des cordes (La théorie des cordes est l'une des voies envisagées pour régler une des questions majeures de la physique théorique : fournir une description de la gravité quantique c'est-à-dire l'unification de...) — pour proposer des scénarios plus satisfaisants. De manière générale, les objets fondamentaux dans ces modèles inflationnaires, appelés champs scalaires, évoluent dans un espace abstrait qui possède une géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et,...) non-triviale. Cet espace des champs exhibe souvent une courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) négative, rappelant les espaces hyperboliques. Dans ce cadre, les champs scalaires peuvent suivre des trajectoires courbes différant fortement des géodésiques de cet espace, permettant ainsi d'échapper aux contraintes usuelles comme la platitude du potentiel. Ce type de scénario exotique a été beaucoup étudié récemment, avec l'espoir de rendre l'inflation plus naturelle du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de la physique des hautes énergies.

Mais une équipe de chercheurs de l'Institut d'Astrophysique de Paris montre que ces espoirs étaient mal placés: ces modèles sont en général sujet à une instabilité, passagère mais violente, qui est responsable d'une croissance exponentielle (En mathématique, en économie et en biologie, on parle d'un phénomène à croissance exponentielle (ou géométrique) lorsque la croissance en valeur absolue de la population est proportionnelle à la population existante,...) des fluctuations de densité primordiale. Puisque l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) des perturbations à la fin de l'inflation est fixée par l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) du fond diffus cosmologique, cette instabilité ne peut pas s'observer par son amplitude générale. Cependant, elle laisse une signature plus subtile, mais claire: les propriétés statistiques des fluctuations primordiales ne peuvent plus être décrites, comme dans le cas simple sans instabilité, par une distribution gaussienne. En utilisant une méthode de théorie des champs, appelée théorie effective et basée sur la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) des échelles d'énergie mises en jeu, les physiciens ont montré que ces effets, appelés non-gaussianités, sont suffisamment importants pour discriminer ces modèles au vu des observations cosmologiques.

En effet, les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) actuelles les plus précises, provenant du satellite (Satellite peut faire référence à :) européen Planck, ne font pas état de déviation au caractère gaussien de la distribution des fluctuations primordiales. Les modèles où l'instabilité dure trop longtemps et où les non-gaussianités sont donc trop importantes, sont par conséquent exclus par l'analyse des chercheurs. A l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...), la possible détection future de non-gaussianités du type distinctif qu'ils ont déterminé donnerait une indication (Une indication (du latin indicare : indiquer) est un conseil ou une recommandation, écrit ou oral.) très forte en faveur de ceux de ces nouveaux modèles où l'instabilité est présente mais de manière modérée.

Ce travail, publié dans la revue Physical Review Letters, constitue une avancée importante dans la compréhension de l'univers primordial lorsqu'il est décrit par des modèles inspirés de physique fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.). Il illustre parfaitement l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose...) fructueuse entre observations cosmologiques et physique des hautes énergies, en l'occurrence comment l'utilisation des données du satellite Planck (Planck est un satellite artificiel de l'Agence spatiale européenne qui doit être lancé en septembre 2008.) a permis d'exclure ou de contraindre des propositions théoriques intéressantes.

Références publication:
Jacopo Fumagalli, Sebastian Garcia-Saenz, Lucas Pinol, Sébastien Renaux-Petel, John Ronayne. Hyper-Non-Gaussianities in Inflation with Strongly Nongeodesic Motion. Physical Review Letters (2019) doi: 10.1103/PhysRevLett.123.201302

Contacts chercheurs:
- Lucas Pinol - IAP
pinol at iap.fr
- Sébastien Renaux-Petel - IAP
renaux at iap.fr
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