Modèle cosmologique gémellaire - Définition
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Introduction
En cosmologie, le modèle cosmologique gémellaire, aussi appelé modèle cosmologique bi-feuillet, modèle cosmologique bi-métrique ou théorie des univers jumeaux, désigne un modèle cosmologique non standard représentant l'univers connu comme le miroir d'un « univers-ombre » et communicant uniquement grâce à la gravitation.
Le premier scientifique à avoir mentionné la possibilité d'un univers double fut le physicien soviétique Andreï Sakharov en 1967 , bien que la théorie de Born-Infeld (1934) puisse être considérée comme une forme d'univers bimétrique.
Se présentant comme une extension de la relativité générale, il remet en cause de nombreux pré-requis du modèle standard (comme la constance de la vitesse de la lumière ou l'existence de la matière noire dans l'univers observable). Ce modèle est basé sur le groupe de Poincaré, la relativité et sur la mécanique quantique.
Étant donné qu'il contredit plusieurs éléments majeurs du paradigme du modèle cosmologique standard actuel (2010), ce modèle est encore peu étudié par les scientifiques et les contributions restent pour l'instant modestes. Cela explique la diversité des noms tendant à désigner le même modèle.
Naissance du modèle
Les paradoxes du modèle standard
La violation de la parité matière-antimatière
L'énigme de l'antimatière (« pourquoi n'y a-t-il que peu d'antimatière dans l'univers ? », ou en d'autres termes « pourquoi est-ce la matière qui l'a emporté sur l'antimatière ? ») a également débouché pour quelques-uns sur l'hypothèse d'un univers parallèle. La physique avance la raison de la violation de la symétrie CP, tandis que la métaphysique invoque le principe anthropique, mais aucune n'explique de cause fondamentale de cette asymétrie entre matière et antimatière, puisque si la matière et l'antimatière sont nées de la même énergie mère, on les imaginerait au contraire créées en proportions égales, l'univers n'ayant pas de préférence.
La masse manquante de l'univers
La matière noire peut être due à ce manquement.
L'expansion accélérée de l'univers
En cosmologie, l'expansion de l'Univers est le nom du phénomène qui voit à grande échelle les galaxies s'éloigner les unes des autres. Cet écartement mutuel, que l'on pourrait prendre pour un mouvement des galaxies dans l'espace, s'interprète en réalité par un gonflement de l'espace lui-même, les objets célestes étant de ce fait amenés à s'éloigner les uns des autres (voir plus bas). À plus petite échelle, l'expansion n'affecte pas la taille des objets.
En 1998, deux équipes d'astronomes , le Supernova Cosmology Project et le High-Z supernovae search team respectivement dirigés par Saul Perlmutter et Brian P. Schmidt sont parvenues au résultat inattendu que l'expansion de l'Univers semblait s'accélérer. Ce résultat est surprenant car il n'existe aucune théorie pour l'interpréter. Il implique en effet l'existence d'une forme inconnue de matière dont la pression serait négative, avec un comportement répulsif et non pas attractif vis-à-vis de la gravitation. Cette forme hypothétique et inhabituelle de matière, de nature inconnue, communément appelée énergie noire ou parfois constante cosmologique, représente à l'heure actuelle un des problèmes non résolus de la cosmologie moderne.
La formation des galaxies
L'étude de la formation et de l'évolution des galaxies s'intéresse aux processus ayant aboutis à la formation d'un univers hétérogène à partir d'une prémisse homogène, à la formation des premières galaxies, à la façon dont les galaxies changent avec le temps, et aux processus qui ont conduit à la grande variété des structures observées parmi les galaxies proches. C'est l'un des domaines de recherche les plus actifs en astrophysique.
Malgré les nombreuses réussites des théories proposées jusqu'à aujourd'hui, elles ne suffisent pas à expliquer la variété des structures que nous observons parmi les galaxies. Celles-ci apparaissent avec une grande variété de formes, depuis les galaxies elliptiques arrondies et sans particularité, jusqu'aux galaxies spirales dont la forme aplatie rappelle celles de crêpes.
La singularité des trous noirs
Au centre d’un trou noir se situe une région dans laquelle le champ gravitationnel et les distorsions de l’espace (on parle plutôt de courbure de l’espace) deviennent infinis. Cette région s’appelle une singularité gravitationnelle. La description de cette région est délicate dans le cadre de la relativité générale puisque celle-ci ne peut décrire des régions où la courbure devient infinie.
De plus, la relativité générale est une théorie qui ne peut pas incorporer en général des effets gravitationnels d’origine quantique. Or quand la courbure tend vers l’infini, on peut montrer que celle-ci est nécessairement sujette à des effets de nature quantique. Par conséquent, seule une théorie de la gravitation incorporant tous les effets quantiques (on parle alors de gravitation quantique) est en mesure de décrire correctement les singularités gravitationnelles.
La description d’une singularité gravitationnelle est donc pour l’heure problématique. Néanmoins, tant que celle-ci est située à l’intérieur d’un trou noir, elle ne peut influencer l'espace situé hors de l'horizon des évènements, de la même façon que de la matière située à l’intérieur d’un trou noir ne peut en ressortir. Ainsi, aussi mystérieuses que soient les singularités gravitationnelles, notre incapacité à les décrire, signe de l’existence de limitations de la relativité générale à décrire tous les phénomènes gravitationnels, n’empêche pas la description des trous noirs pour la partie située de notre côté visible.
Évolution historique
Suite au paradoxe de la violation de symétrie CP, le physicien soviétique Andrei Sakharov émit en 1967 l'hypothèse de l'existence d'un univers parallèle, où de manière symétrique l'antimatière prédominerait sur la matière. La partition de l'univers fondamental en deux univers parallèles appelés "feuillets" dans lesquels prédominerait la matière pour l'un et l'antimatière pour l'autre pourrait ainsi réconcilier logique et expérience. Cet univers jumeau serait CPT-symétrique par rapport au nôtre, c'est-à-dire que non seulement la matière y serait remplacée par une antimatière développée par Richard Feynman dans ses diagrammes (symétrie C), mais également la flèche du temps y serait renversée (symétrie T) et serait géométriquement inversée par rapport au nôtre (symétrie P).
Cette hypothèse exotique n'a débouché que sur peu de travaux scientifiques. Parmi les scientifiques qui ont travaillé sur la bimétrie, on trouve notamment Nathan Rosen, Jean-Pierre Petit, Gabriel Chardin, Michael Boris Green, John Henry Schwarz, Abdus Salam (prix Nobel de physique en 1979), ou encore Sabine Hossenfelder.
