La saga du Big Bang
  Une fantastique inflation




Un millionième de milliardième de milliardième de milliardième..., ou 10-35, seconde après le big bang, l’interaction forte se sépare à son tour. Elle prend son envol à côté de la gravitation et de la force électrofaible vestige de la superforce. C’est la fin de la grande unification. Les particules primordiales se scindent en quarks et en électrons. La symétrie entre matière et antimatière se rompt. De même, une transition de phase libère une énergie colossale. Cette dernière donne un coup de fouet fulgurant à l’expansion. L’espace se dilate 1030 à 10100 fois en 10-32 seconde ! C’est l’ère d’une fantastique inflation. Ses effets expliquent la platitude et l’uniformité du cosmos.

Zoom : Grande unification, un soupçon de supersymétrie

Zoom : Inflation, un élan fulgurant et bienvenu

Éloge de la force forte
Le vide quantique règne, agité de spasmes et de créations-annihilations de particules virtuelles. Puis, la gravitation se détache. Et à l’instant 10-35 seconde, un autre événement s’instaure. D’abord, l’interaction forte prend son autonomie. Elle se libère de la superforce et cohabite avec sa consœur électrofaible, vestige de la prime unité originelle. Celle-ci engendrera, plus tard, l’électromagnétisme et la force faible. Mais pour l’heure, un mécanisme redoutable est en marche : plus violent que celui qui a sonné le glas de l’ère de Planck. Tout à coup, l’Univers subit une expansion fulgurante. La transition de phase et la brisure de symétrie libèrent une énergie colossale. Impossible. Inimaginable. Tous les changements d’états physiques, à l’instar du gel de l’eau liquide en glace, dégagent une chaleur latente. Mais la puissance déchaînée est ici unique. L’expansion s'accélère vivement. C’est une inflation. L’ère de grande unification prend fin aux alentours de 1015 milliards d’électronvolts et d’une température de 1027 degrés. Ceci correspond à mille milliards de fois ce que produira le Grand collisionneur de hadrons, Large Hadron Collider LHC, à partir de 2007 au Cern de Genève. Autrement dit, nous nous trouvons encore au royaume de la spéculation scientifique et des idées avancées. Là, l’espace-temps - gros d’un potentiel qui le tord et l’étire - enfle d’une manière inouïe. Il se dilate à une vitesse bien supérieure à celle de la lumière !.. De sorte que ses dimensions se trouvent multipliées par 1030, 1050, 10100… On ne sait plus bien. L’épisode dure 10-32 seconde, seulement. Un battement d’ailes de papillon dans le cosmos. C’est 1040 fois moins que les 14 milliards d’années de l’âge actuel de l’Univers.

Zoom :
Force électronucléaire, un exemple de théorie unifiée

Transition violente
Le concept d’inflation a été imaginé pour la première fois en 1979 par Alexei Stavrobinsky de l’Institut de physique théorique Lev Landau, de Moscou (Union Soviétique). En 1981, à l’autre bout de l’échiquier géopolitique, Alan Guth de l’institut de technologie du Massachusetts a réinventé l’idée d’une éphémère expansion exponentielle. Les dimensions de l’Univers doublent au moins une centaine de fois (2100). Puis en 1982, Andreï Linde de l’Institut Lebedev de Moscou, aujourd’hui professeur à l’université de Stanford, en Californie, améliore le principe. Il le rend plus naturel et acceptable dans le contexte de la physique moderne des particules et du chaos quantique primitif. Il existe désormais une centaine de versions du scénario. Et ce foisonnement-tâtonnement a nuit à sa réputation. Pour autant, les résultats apportés en 2003 par le satellite américain Wmap - platitude de la géométrie de l’Univers, homogénéité à grande échelle et fluctuations de densité à l’origine des galaxies - ont contribué à ériger l’inflation en option plausible. Prenons par exemple le modèle de Linde : un Univers fractal agité, ça et là, de fluctuations qui dispensent de brusques bouffées d’inflation. Brusquement, la trame locale de l’espace et du temps se courbe. Il en résulte une structure malmenée qui se reproduit à toutes les échelles et à l’infini. Le cosmos se compare à une "mousse de savon". Il se compose d’une multitude d’univers-bulles qui naissent, meurent ou éclatent en expansion. Le nôtre ne serait qu’un cas particulier dans le nombre.

Surfusion ou inflation chaotique ?
Dans la version d’Alan Guth, l’inflation était associée à la surfusion qui peut surgir dans toute transition de phase. L’évolution du cosmos se ramène à une succession de changements d’états. On passe d’une symétrie à une situation un peu moins harmonieuse. C’est l’analogue de l’eau. À l’état liquide, ses propriétés sont les mêmes en tout point. Puis, elle gèle en glace. Et cette forme solide possède des axes privilégiés de cristallisation définis par les molécules. De la même manière, à la fin de la grande unification, le cosmos a pu passer par une sorte de sursis instable. Un peu comme l’eau pure surfondue reste liquide sous des températures négatives. À la moindre perturbation, elle se solidifie. Dans le cas de l’Univers, ceci correspond à un l’espace-temps rempli d’un «faux vide». Celui-ci est plus symétrique, moins stable et plus vigoureux que la normale. L’énergie associée possède une propriété significative : elle est négative. Elle se comporte comme une pression – un explosif répulsif. La relativité d’Einstein prévoit alors que l’espace s’infléchit et que tous ses points se fuient les uns les autres. Une inflation brutale. Elle cessera finalement lorsque l’Univers "gèlera" partiellement. Il s’installera dans une symétrie brisée entre forces forte et électrofaible.

L’énergie d’une expansion démesurée
Une comparaison donne une idée de l’ampleur du phénomène. Les atomes se sont formés et le rayonnement fossile a été émis 400 000 ans après le big bang. Jusqu’à maintenant, soit environ 14 milliards d’années d’histoire, l’Univers a vu ses échelles de grandeur multipliées par 1000. Seulement ! Rien à voir avec les chiffres à plusieurs dizaines, millions ou milliards de zéros envisagés ici. L’inflation bouscule tout. Même les minuscules fluctuations de densité primordiales auraient été dilatées jusqu’à des dimensions supérieures à celles des superamas de galaxies. Le satellite Wmap a, d’ailleurs, détecté dans le rayonnement cosmologique fossile des variations qui relient des régions n’ayant jamais eu le temps de communiquer entre elles. Une signature possible de l’inflation ? Durant l’expansion accélérée, les points matériels se sont éloignés les uns des autres plus vite que la lumière. Cependant, la contradiction avec le principe de base de la relativité – la célérité de la lumière, absolu indépassable - est apparente. En effet, aucun objet ne s’est réellement déplacé plus rapidement que le rayonnement. C’est la trame du cosmos elle-même qui a enflé à un rythme effréné, entrainant avec elle les particules.