Inflation cosmique
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Chronologie du
Modèle standard de la cosmologie
  • Cosmologie quantique (?)
  • Ère de Planck (?)
  • Inflation cosmique
  • Préchauffage
  • Réchauffage
  • Ère de grande unification (Le concept d'unification est une notion centrale de la logique des prédicats ainsi que d'autres systèmes de logique et est sans doute ce qui distingue le plus Prolog des autres langages de programmation.)
  • Baryogénèse
  • Transition électro-faible
  • Découplage des neutrinos
  • Annihilation électrons-positrons
  • Nucléosynthèse primordiale (En 1948, l'astronome anglais Fred Hoyle développe une théorie selon laquelle les éléments chimiques se forment dans les étoiles. Cette théorie, appelée nucléosynthèse stellaire, explique de façon...)
  • Transition matière-rayonnement
  • Découplage du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.)
  • Formation des grandes structures
  • Formation des galaxies
  • Réionisation
  • Accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui...) de l'expansion
  • Destin de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.)
Disciplines concernées
  • Gravité quantique (La gravité quantique est la branche de la physique théorique tentant d'unifier la mécanique quantique et la relativité générale.)
  • Physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies...)
  • Relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels...)
  • 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 propriétés des objets de l'univers...)

L'inflation cosmique (L'inflation cosmique est un modèle cosmologique s'insérant dans le paradigme du Big Bang lors duquel une région de l'univers comprenant l'univers observable a connu une phase d'expansion...) est un modèle cosmologique s'insérant dans le paradigme du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des...) lors duquel une région de l'univers comprenant l'univers observable (L'univers observable est un terme utilisé en cosmologie pour décrire la partie visible de notre Univers. Par définition même, la limite de cette partie visible est...) a connu une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) d'expansion très violente qui lui aurait permis de grossir d'un facteur considérable : au moins 1026 et probablement immensément plus (de l'ordre de 101000000, voire plus encore dans certains modèles). Ce modèle cosmologique offre, à la fois, une solution au problème de l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique,...) ainsi qu'au problème de la platitude.

Cette phase d'expansion se serait produite très tôt dans l'histoire de l'univers, à l'issue de l'ère de Planck, ou relativement peu après (de l'ordre de 10-35 seconde) après l'ère de Planck. À l'issue de l'inflation, l'univers était encore extrêmement dense et chaud. On pense que sa 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 corps de référence est...) devait être de l'ordre de 1086, voire 1094 kilogrammes (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).) par mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis...) cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace....), et sa température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) de 1026, voire 1028 degrés.

Le paradigme de l'inflation peut être testé observationnellement grâce à de nombreuses observations astronomiques, notamment la mesure des anisotropies du 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.), les catalogues de galaxies, et les effets de cisaillement gravitationnel. À l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y...) actuelle (2006), l'inflation s'avère compatible avec l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) des données observationnelles récentes, notamment celle du satellite (Satellite peut faire référence à :) WMAP, et fait partie intégrante du modèle standard de la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.). Il n'est cependant pas exclu que d'autres mécanismes produisant des effets semblables puissent également être envisagés, mais ceux-ci apparaissant aujourd'hui moins convainquants et moins réalistes. Des observations futures, comme celles qui seront réalisées par le satellite Planck (Planck est un satellite artificiel de l'Agence spatiale européenne qui doit être lancé en septembre 2008.) devraient permettre de tester plus finement les modèles d'inflation.

Contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu...) historique

Le concept d'inflation est apparu à la toute fin des années 1970. À cette époque, la cosmologie était une discipline encore peu étayée par des données nombreuses et fiables. Néanmoins, le fond diffus cosmologique avait été découvert depuis une quinzaine d'années[1], et l'expansion de l'univers depuis plusieurs décennies[2]. L'on savait donc que l'univers observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un paramètre physique, ou plus généralement...) était homogène et isotrope.

L'explication du fait que l'univers pût être homogène et isotrope était par contre inconnue. En effet, l'étude de 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...) des perturbations cosmologiques, initiée par Evgeny Lifschitz à la fin des années 1940, montrait que l'expansion de l'univers ne pouvait contribuer à rendre celui-ci homogène ou isotrope. Ainsi donc, si tôt dans son histoire l'univers n'avait pas été homogène et isotrope, il devait nécessairement ne pas l'être non plus aujourd'hui. Ce problème était connu sous le nom de problème de l'horizon.

À ce premier problème s'en superposait un second, de nature assez semblable, le problème de la platitude. Si l'univers est effectivement homogène, rien ne dit que sa géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les...) à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le...) correspond à la géométrie euclidienne (La géométrie euclidienne commence avec les Éléments d'Euclide, qui est à la fois une somme des connaissances géométriques de l'époque et une tentative de formalisation mathématique de ces connaissances. Les notions de...) qui nous est familière. En particulier, il se peut qu'au delà d'une certaine échelle, le théorème de Pythagore (Le théorème de Pythagore est un théorème de géométrie euclidienne qui énonce que dans un triangle rectangle (qui possède un angle droit) le carré de l'hypoténuse (côté opposé à l'angle droit)...) ne soit plus vérifié, ou que la somme des angles d'un triangle (En géométrie euclidienne, un triangle est une figure plane, formée par trois points et par les trois segments qui les relient. La dénomination de « triangle »...) ne soit plus égal à 180 degrés. L'échelle à partir de laquelle ces effets se font sentir s'appelle le rayon de 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...) de l'espace. Observationnellement, on savait dès le courant des années 1970 que ce rayon de courbure était au moins de l'ordre de la taille de l'univers observable[3]. Se pose alors un problème troublant : si on remonte dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), le rapport du rayon de courbure de l'espace à la taille de l'univers observable, approximativement donnée (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.) par ce que l'on appelle le rayon de Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour complet de la Terre toutes les 100 minutes. Il est nommé en l'honneur de...), croît à mesure que l'on remonte dans le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps centrée sur le...). Si l'on remonte jusqu'aux époques les plus anciennes auxquelles les lois connues de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) continuent de s'appliquer, soit la fin de l'ère de Planck, alors ce rapport devient plus grand d'un facteur 1026 qu'il ne l'est actuellement. Autrement dit, le rayon de courbure de l'espace devait être au moins 1026 fois plus grand que le rayon de l'univers observable au sortir de l'ère de Planck. Il se trouve que le rayon de l'univers observable est également du même ordre que la distance maximale parcourue par un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des...) dans l'univers[4]. Le problème vient donc du fait que pour expliquer un fait observé aujourd'hui, on est amené à envisager que, par un processus mystérieux, l'univers a su ajuster son rayon de courbure pour qu'il devienne au moins 1026 fois plus grand que toute distance parcourue par un signal à cette époque-là. Cette contradiction (Une contradiction existe lorsque deux affirmations, idées, ou actions s'excluent mutuellement.) manifeste (aucune échelle de distance ne peut être plus grande que la plus grande distance parcourue par un signal) est connue sous le nom de problème de la platitude.

À ces deux problèmes de nature assez semblable, s'ajoutaient deux autres problèmes en apparence sans rapport : le problème des monopôles et le problème de la formation des structures. Le problème des monopôles est l'expression du fait que des considérations très générales de physique des particules laissent penser que la diversité des particules élémentaires observées aujourd'hui n'est qu'un ensemble de manifestation différentes de phénomènes qui deviennent semblables à plus haute température : la physique des particules suggère qu'à mesure que l'univers se refroidit du fait de son expansion, il se produit un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de transitions de phase lors desquelles la nature des particules élémentaires qui existent à ce moment-là change. Ce phénomène de transition de phase (En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la variation d'un paramètre extérieur particulier (température, champ magnétique...).) donne cependant lieu à l'apparition d'un certain type d'objets, appelés défauts topologiques. Certains de ces objets peuvent être étendus, voire d'extension infinie. On les appelle murs de domaine ou cordes cosmiques[5], selon que leur structure s'apparente à une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) ou une ligne. Une autre catégorie d'objets est ce que l'on appelle les monopôles, dont la structure est essentiellement ponctuelle. Les calculs montrent que de tels objets ont toute les chances de se former extrêmement tôt dans l'histoire de l'univers, à la fin de l'ère de grande unification. Or si ce cas se produit, on peut montrer que la quasi totalité de l'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.) de l'univers actuel devrait se trouver sous la forme de ces monopôles. Observationnellement, il n'en est rien. Il existe certes des formes de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) mal connues dans l'univers, notamment la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des galaxies. Différentes...), mais celle-ci est infiniment moins abondante que ces monopôles ne devraient l'être. La non observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) des ces monopôles forme ce que l'on appelle le problème des monopôles.

Principe général de l'inflation

Le problème de l'horizon et le problème de la platitude ont tous deux une origine commune : le fait que si l'on considère un univers empli de matière relativiste ou non relativiste, alors l'expansion de l'univers est en décélération (voir Équations de Friedmann). Quand l'expansion de l'univers décélère, on peut montrer que les distances entre deux objets distants (deux galaxies par exemple) croissent au cours du temps moins vite qu'un signal lumineux. Ainsi, la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée...) d'une galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie, cette fois au singulier.), fût-elle très éloignée finit-elle toujours par nous atteindre, exactement comme si l'on imaginait un univers statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :), sans expansion. Autre façon de voir les choses, le nombre de galaxies visibles dans l'univers observable croît au cours du temps. C'est précisément ce point (Graphie) qui est paradoxal : à mesure que le temps passe, l'on découvre l'univers sur des régions de plus en plus vastes, qui sont toutes essentiellement identiques les unes aux autres, et qui pourtant n'ont pas eu le temps d'échanger d'information au moment où on les découvre semblables les unes aux autres[6].

L'inflation résout ce paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un raisonnement qui, bien que sans faille apparente, aboutit à une absurdité, ou...) en s'attaquant au phénomène à l'origine de ce paradoxe, à savoir le fait que la distance parcourue par la lumière au cours du temps croît plus vite que la distance entre deux objets. Inverser cette relation, ce qui signifie que le nombre des galaxies qui nous sont accessibles décroît au cours du temps permet alors de résoudre les problèmes précédents. Pour cela, il faut non plus que l'expansion de l'univers décélère au cours du temps, mais accélère. Schématiquement, c'est un peu comme si l'on agrandissait très rapidement une région de l'univers, jusqu'à ce que celle-ci devienne aussi grosse que l'univers observable, voire plus. Dans ce cas, si la région initiale est au départ homogène, alors on aura au final une région homogène, mais qui désormais englobe l'univers observable tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) entier.

Publications importantes

  • Sur la génération des perturbations cosmologiques :
  • Sur la transition quantique-classique :
  • Sur la prédiction des anisotropies du fond diffus cosmologique :
  • Sur la confrontation aux données observationnelles :

Bibliographie

  • (en) Andreï Linde, Particle Physics and Inflationary Cosmology, Harwood, Chur, Suisse, (1990), hep-th/0503203 Voir en ligne.
    Le célèbre ouvrage d'Andreï Linde sur l'inflation, désormais accessiblement gratuitement en ligne sur le site de prépublications arXiv.
  • (en) Andreï Linde, Inflation and String Cosmology, in Comptes Rendus du XXIIe Texas Symposium on Relativistic Astrophysics (Université de Stanford), 13-17 décembre 2004), hep-th/0503195 Voir en ligne.
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