Notre Univers est-il cyclique ?

Publié par Michel le 07/05/2006 à 00:00
Source: Nature
Illustration: NASA / ESA
Un Univers rebondissant, qui passerait par des phases d'expansion puis de contraction tous les mille milliards d'années pourrait expliquer un des problèmes les plus délicats de la cosmologie: comment pouvons-nous exister ?


Pourquoi l'énergie qui provoque l'expansion de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) est-elle si faible ?
Peut-être parce qu'elle est beaucoup plus ancienne qu'on ne le supposait

Si cette hypothèse, proposée dans la revue Science par Paul Steinhardt de l'université de Princeton (L'université de Princeton (Princeton University) est située dans la ville de Princeton...), au New Jersey (Jersey est la plus grande des îles Anglo-Normandes, dont la capitale est Saint-Hélier. Sa...), et Neil Turok de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) britannique de Cambridge, semble légèrement saugrenue, on ne peut en fait pas vraiment y opposer d'arguments. Les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) astronomiques de la dernière décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix »...) ont prouvé que "nous vivions dans un Univers absurde", remarque le cosmologue Sean Carroll de l'université de Chicago (Chicago est une mégapole des États-Unis, située dans la partie nord du Middle West, à...). "Notre travail consiste à lui donner un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...)", dit-il.

Dans le modèle cyclique de Steinhardt et de Turok, l'Univers s'étendrait puis se rétracterait répétitivement avec une périodicité qui rend les 13,7 milliards d'années venant de s'écouler depuis le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a...) comparables à un minuscule clin d'oeil. L'Univers serait donc terriblement vieux, et en conséquence la mystérieuse "constante cosmologique (La constante cosmologique est un paramètre rajouté par Einstein en février 1917 à ses...)", qui décrit la façon dont l'espace vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) semble s'étendre, aurait eu beaucoup de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) pour s'affaiblir jusqu'à atteindre la valeur étrangement peu élevée que nous observons aujourd'hui.

Un désaccord cosmique

En 1996, on a découvert que l'expansion de l'Univers était accélérée et la constante cosmologique a été utilisée pour décrire une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de répulsion qui pourrait causer cette accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...). Mais les physiciens ont semblé déroutés devant la faiblesse de sa valeur.

La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) quantique suggère que l'espace "vide" est en fait un bourdonnement de particules subatomiques qui passent constamment de l'état existant à l'état non existant et vice versa. Cela produit une "énergie du vide" qui fait s'étendre l'espace, et qui fournit une explication physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) à la constante cosmologique.

Mais la valeur théorique de l'énergie du vide est énorme, et rendrait l'espace lointain trop répulsif pour que les particules puissent se rassembler et former les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...), les étoiles, les planètes, ou la vie (La vie est le nom donné :). L'énergie du vide observée, en revanche, est plus petite d'un facteur de 10^120 (1 suivis de 120 zéros). Et cette énorme différence d'ordre de grandeur pose d'importants problèmes aux scientifiques.

Serions-nous spéciaux ?

Une des explications favorites est le "principe anthropique (Le principe anthropique (du grec anthropos, homme) est un principe métaphysique qui énonce que si...)" qui propose que dans l'Univers apparemment infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus,...), la constante cosmologique change d'un endroit à l'autre, en prenant toutes les valeurs possibles. Ainsi il existe au moins une région où elle possède la bonne valeur pour que les galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...) et la vie existent, et c'est précisément l'endroit où nous nous situons. Cette hypothèse nous débarrasse de la question de savoir pourquoi notre univers observable (L'univers observable est un terme utilisé en cosmologie pour décrire la partie visible de...) est "spécial".

Mais cela ne satisfait pas les physiciens, qui préféraient pouvoir expliquer l'Univers dans son ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...). "Compter sur le principe anthropique est comme vouloir avancer sur des sables mouvants", écrivent Steinhardt et Turok. Ils pensent avoir une explication plus satisfaisante.

Il y a très, très longtemps...

Les deux chercheurs sont partis d'une idée proposée par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) Larry Abbott en 1985: l'énergie du vide aurait eu une valeur élevée par le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble...) mais celle-ci a décru au fil du temps. Abbott a montré que cet affaiblissement de l'énergie du vide procéderait par une série de sauts, chacun d'entre eux durant exponentiellement plus longtemps que le précédent. Sur la durée, l'Univers aurait passé bien plus de temps dans des états à énergie du vide proche de zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr,...) que dans des états à énergie du vide élevée.

Le problème est que les calculs d'Abbott impliquent que l'expansion de l'espace aurait largement le temps de diluer toute la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) existante bien avant que l'énergie du vide n'atteigne ces valeurs très faibles. Et l'espace serait alors effectivement vide.

L'hypothèse de l'Univers cyclique vient à bout de ce problème, selon Steinhardt et Turok. Avec des cycles d'expansion et d'effondrement durant quelques mille milliards d'années, et sans aucune limite quant au nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de ces cycles ayant précédé le nôtre, il y a largement assez de temps pour que l'énergie du vide atteigne une valeur presque nulle. Chaque cycle re-concentrant la matière pendant la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) d'effondrement, l'Univers ne deviendrait jamais vide.

Steinhardt et Turok indiquent que leur théorie est vérifiable. Le modèle cyclique prévoit que le Big Bang provoque des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) gravitationnelles dans l'espace, que les physiciens traquent actuellement. De plus, la théorie de l'affaiblissement de l'énergie du vide prédit l'existence d'un nouveau type de particules fondamentales appelées les axions, qui peuvent également être détectables.

Pour Carroll, l'idée est intéressante. Il admet qu'il a quelques autres inquiétudes sur ce modèle d'univers cyclique qui gâchent un peu son enthousiasme, mais que l'extravagance de celui-ci ne le tracasse pas. "Toute explication sera extrême", explique-t-il, "parce que toutes les possibilités raisonnables ont déjà été complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) explorées".

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