En accord avec la théorie de la relativité générale d'Einstein, le Big Bang représente le Début de l’Univers, le Grand Evénement lors duquel non seulement la matière mais aussi l'espace-temps 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 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 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 et de géométrie gravitationnelles de Penn State. "Au delà de ce point, 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 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.
Notre univers en expansion est représenté par l’arc de droite.
« Aujourd’hui » est situé au point 1.8 du coté droit.
En remontant l'histoire de l'Univers, le « temps » n’atteint pas le Big Bang
mais rebondit vers l’arc de gauche, qui décrit un Univers en contraction
"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, 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".
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) c'est quoi, la forme que prendrait l'univers dans sa période d'inflation ?
