Qu’y avait-il avant le big bang ? Une nouvelle étude révèle les secrets de l'univers primitif

Il y a environ 13,8 milliards d’années, l’univers entier était une petite boule d’énergie chaude et dense qui a soudainement explosé. C’est ainsi que l’univers a commencé selon la théorie du Big Bang, formulée pour la première fois dans les années 1920. Dans les années 1980, cette théorie a été complétée par l’hypothèse de l’inflation, selon laquelle l’univers, dans les premiers instants de son existence, a connu une brève période d’expansion extrêmement rapide.

L'inflation explique pourquoi l'univers semble lisse et homogène à grande échelle, mais si l'inflation est la cause de tout ce que nous voyons aujourd'hui, elle soulève la question : « Que s'est-il passé avant cela ?

Jusqu’à présent, il n’existe aucune expérience permettant de suivre les événements avant l’inflation. Cependant, les mathématiciens peuvent construire des scénarios possibles en appliquant la théorie de la relativité générale d'Einstein aux premiers instants du temps.

Les chercheurs Gisele Gishnejani de l'Institut Perimeter, Erik Laing de l'Université de Copenhague et Jerome Quentin de l'Université de Waterloo ont récemment publié un article dans Journal de physique des hautes énergies. Ils ont montré qu’il est possible de regarder au-delà de notre univers.

La principale question étudiée par Gishniani, Ling et Quentin est de savoir s'il existe un point avant l'inflation auquel les lois de la gravité cessent de fonctionner en raison de la singularité.

Une singularité est un point de l’espace-temps où les descriptions mathématiques perdent leur sens. Par exemple, la fonction 1/x devient infinie lorsque x tend vers zéro.

Parfois, les fonctionnalités peuvent être remplacées. Par exemple, on pensait que les horizons événementiels des trous noirs étaient une singularité physique, mais il s’est ensuite avéré n’être qu’une singularité mathématique liée au choix des coordonnées. Mais au centre du trou noir, la densité et la courbure deviennent infinies et ne peuvent être éliminées en modifiant les coordonnées.

Les chercheurs ont cherché à savoir si le début du Big Bang était une singularité physique comme le centre d’un trou noir, ou s’il s’agissait simplement d’une singularité mathématique.

Leurs travaux s’appuient sur une théorie prouvée par Arvind Borde, Alan Guth et Alexander Vilenkin en 2003, selon laquelle l’inflation a dû avoir un début. À l’aide d’un paramètre appelé facteur d’échelle, qui décrit l’évolution des distances entre les objets à mesure que l’univers s’étend, les chercheurs ont classé les scénarios possibles avant l’inflation.

Ils montrent que dans certaines conditions la singularité est effectivement courbante, alors que dans d'autres elle peut être évitée. La recherche confirme que si la quantité de matière dans l'univers est petite par rapport à la quantité d'énergie noire, la singularité peut être éliminée.. Dans ce cas, la lumière pourrait traverser la frontière et l’histoire de l’univers pourrait s’étendre au-delà du Big Bang.

Cependant, s’il y avait plus de matière dans l’univers primitif, la singularité se révélerait être une courbure physique dans laquelle les lois de la gravité cesseraient de s’appliquer.

Cette singularité montre que la relativité générale n'est pas une description complète des lois fondamentales de la physique. Les tentatives se poursuivent pour créer une théorie unifiant la relativité générale et la mécanique quantique. Ce nouveau travail constitue une étape vers une telle théorie, qui permet une meilleure compréhension de l’univers à ses niveaux d’énergie les plus élevés.