inflation (cosmologie) - astronomie.

inflation (cosmologie) - astronomie. 1 PRÉSENTATION inflation (cosmologie), théorie cosmologique développée au début des années 1980 par le physicien américain Alan Guth, pour expliquer les événements qui ont marqué la genèse de l'Univers. 2 ORIGINES DE LA THÉORIE DE L'INFLATION Pour les astrophysiciens, le big bang est actuellement la théorie la plus vraisemblable pour expliquer l'origine de l'Univers, car elle est en accord avec un large éventail d'observations : l'Univers se serait formé il y a une quinzaine de milliards d'années, à la suite de l'expansion violente d'un état initial extrêmement dense et chaud. Pourtant, la formulation de cette théorie n'a pas été sans poser de sérieuses difficultés. Tout d'abord, les premières mesures du rayonnement de fond du ciel réalisées par Arno Penzias et Robert Wilson en 1965 ont d'emblée permis de montrer que l'Univers est homogène et isotrope à grande échelle, c'est-à-dire qu'il est grossièrement le même partout et quelle que soit la direction dans laquelle on regarde. Ce simple fait suggère que, pendant l'expansion, les différents constituants de l'Univers ont dû se mélanger efficacement et faire disparaître les irrégularités de la soupe initiale. Or, d'après la relativité restreinte, aucun signal ne peut dépasser la vitesse de la lumière (300 000 km/s). Il semble donc impossible que des irrégularités éloignées aient pu être en contact physique pour se mélanger, ce qui est manifestement en contradiction avec les observations du rayonnement de fond cosmologique nous montrant un Univers très homogène. D'autre part, la densité incroyablement faible de matière dans l'Univers pose problème : elle n'est compatible avec la théorie du big bang que par un ajustement très fin -- trop fin pour être « naturel « -- de la densité de matière et de la courbure de la géométrie dans l'Univers primordial. Sans cet ajustement, l'Univers n'existerait plus : il se serait soit trop vite recontracté, soit trop vite dilaté, et, dans les deux cas, aurait empêché la formation des étoiles et de la vie. Enfin, il a aussi fallu trouver une explication physique au démarrage de l'expansion, hypothèse de travail de l'ancienne théorie du big bang (et non une conséquence). Difficile, en effet, de comprendre comment le big bang a pu être initié puisque la gravitation est une force purement attractive ; une force répulsive a nécessairement dû agir à un moment donné. C'est Alan Guth qui, en 1981, a compris que ces trois problèmes pouvaient être résolus simultanément si, parmi les constituants de l'Univers, figurait un champ de matière à pression négative. Dans ce cas en effet, et dans le cadre de la relativité générale, la pression négative deviendrait le catalyseur, puis le moteur de l'expansion. De plus, une expansion suffisamment forte conduit naturellement à une dilution massive des irrégularités de la soupe primordiale et rend la géométrie de l'Univers presque parfaitement plate, en accord avec les observations. C'est un peu comme si l'on pouvait gonfler un petit ballon en plastique jusqu'à la taille de la Terre, et que, juste sous nos pieds, ce ballon nous apparaisse plat et que toute irrégularité sur sa surface se soit très écartée de nous. Ainsi, notre univers se limitant à notre environnement immédiat, on verrait un sol tout plat et tout lisse, un peu comme l'inflation produit un Univers localement plat et lisse. La physique des particules prédit l'existence de tels champs de matière à pression négative, appelés champs scalaires (bien qu'aucun n'ait encore été observé directement) : la théorie inflationniste de Guth a consisté à postuler l'existence d'un tel champ dans l'Univers primordial. On peut calculer que sous l'effet de ce champ, l'Univers aurait subi une dilatation d'un facteur 1040 pendant les 10-20 secondes après le big bang, d'où le nom évocateur d'inflation. 3 L'ÂGE D'OR DE LA THÉORIE DE L'INFLATION La théorie inflationniste a rencontré un réel succès lorsque les cosmologistes ont réalisé qu'elle pouvait expliquer la formation des structures dans l'Univers, bien qu'elle n'ait été conçue dans ce but. Si l'Univers apparaît homogène et lisse à grande échelle, ce n'est pas le cas à petite échelle puisqu'il existe des galaxies, des amas et des superamas de galaxies. L'explication de l'origine de ces structures a toujours été un problème central pour les cosmologistes, dont beaucoup soupçonnaient que l'explication devait se trouver quelque part dans l'Univers primordial. La solution apportée par la théorie de l'inflation est simple et puissante : aux origines de l'Univers, la soupe primordiale est régie par la physique quantique. Une de ses lois nous dit que la matière subit en permanence des fluctuations aléatoires : il s'agit du principe d'incertitude de Heisenberg qui garantit l'existence de grumeaux de matière à l'échelle de Planck (échelle spatio-temporelle limite caractérisée par la longueur de Planck de l'ordre de 10-33 cm et le temps de Planck de l'ordre de 10-43 s) ; ces grumeaux sont ensuite étirés à des échelles cosmologiques pendant la puissante phase d'inflation pour former les amas de galaxies que l'on observe aujourd'hui. Pendant la phase d'inflation, de nouvelles fluctuations quantiques naissent à l'échelle de Planck, pendant que les autres sont dilatées à des échelles cosmologiques. Les observations récentes du rayonnement de fond cosmologique à haute résolution montrent que les fluctuations de matière dans l'Univers, lorsqu'il était âgé de 300 000 ans, sont en remarquable accord avec les prédictions de l'inflation. 4 LES LIMITES DE LA THÉORIE DE L'INFLATION Bien que les grandes structures aient effectivement pu être générées par des fluctuations quantiques, l'inflation reste une théorie classique car elle n'incorpore pas d'effets quantiques de la gravitation en dessous de l'échelle de Planck. Ceci en fait une théorie purement phénoménologique, ignorant les nouveaux effets physiques potentiels qui pourraient avoir un rôle, encore inconnu, pendant la phase d'inflation. D'autre part, la physique des particules n'a pour l'instant aucun candidat pour le champ scalaire nécessaire à l'initiation de l'inflation, et le couplage de ce champ avec la matière ainsi que son intensité doivent être fixés à des valeurs raisonnables pour que l'inflation fonctionne. Ainsi, bien que la théorie cosmologique de l'inflation ait correctement mis en évidence une des caractéristiques de l'origine de l'Univers, à savoir qu'il y aurait eu une phase initiale d'expansion incroyablement rapide, les causes profondes de cette expansion restent encore un mystère. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.