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  • Extrême univers et gravité

L’histoire d’un univers

by Lindsay Jolivet avr. 4 / 14
Il y a trente ans, quand des scientifiques ont formulé la théorie de l’inflation cosmique, bien des gens croyaient qu’il s’agissait tout au plus d’une belle histoire.

Gravitational waves from inflation generate a faint but distinctive twisting pattern in the polarization of the cosmic microwave background, known as a “curl” or B-mode pattern. Image courtesy of BICEP2 Collaboration
Les ondes gravitationnelles issues de l’inflation génèrent une torsion faible mais distinctive dans la polarisation du fonds diffus cosmologique, connue sous le nom de « boucle » ou de motif de mode B. Image de la BICEP2 Collaboration.

Associé au sein du programme Cosmologie et gravité, Andrei Linde (Université Stanford) est l’un des auteurs originaux de la théorie inflationnaire. Cette semaine, il a appris que des chercheurs avaient obtenu des résultats solides, quoique non confirmés, à l’appui de ses décennies de recherche.

« J’étais sous le choc », dit-il.

Selon Linde, si les résultats se confirment, d’autres théories sur la naissance de l’Univers seraient mises de côté, y compris la plupart des versions de l’inflation — au profit d’une poignée des modèles les plus simples. Toutefois, la théorie a parcouru un long périple depuis sa formulation dans les années 1980.

« Les experts savaient qu’il s’agissait de quelque chose de pénétrant, de très intéressant. D’un autre côté, cela semblait tenir de la science-fiction », explique Linde.

« Essentiellement, la théorie inflationnaire dit qu’à l’aide d’un milligramme d’un état spécial de la matière, on peut créer tout un univers… Cela ressemblait à de la magie. »

Selon la théorie, de ce petit grain est apparu un univers plat et uniforme avec des fluctuations quantiques qui ont produit des galaxies, et peut-être une réaction en chaîne qui a créé de multiples univers.

Les résultats de cette nouvelle expérience, appelée BICEP2, sont cohérents avec l’inflation. Un groupe de chercheurs, y compris les Boursiers principaux Barth Netterfield (Université de Toronto) et Mark Halpern (Université de la Colombie-Britannique) du programme Cosmologie et gravité, a piloté cette étude menée au pôle Sud sur la plus ancienne lumière de l’Univers, le fonds diffus cosmologique.

Après l’annonce des résultats par l’Université Harvard lors d’une conférence de presse le 17 mars dernier, la discussion s’est animée au sein de la communauté scientifique et plusieurs membres du programme Cosmologie et gravité de l’ICRA ont exprimé emballement, scepticisme et émerveillement quant à la façon dont les résultats pourraient changer la cosmologie.

« C’est d’une importance inouïe. C’est tout aussi important que la découverte du boson de Higgs — en fait, je dirais que c’est beaucoup plus important », s’exclame Linde.

Les chercheurs ont signalé que BICEP2 a détecté des ondes gravitationnelles causées par la croissance fulgurante de l’Univers un trillionième de trillionième de trillionième de seconde après sa naissance, quand il est passé d’une taille inférieure à celle d’un proton à celle d’un pamplemousse environ. Selon la théorie, l’Univers a ensuite poursuivi son expansion plus lentement.

« Nous croyons que pendant l’inflation, toutes sortes d’oscillations et de rides dans l’Univers se sont mises à grossir et à s’aplanir », explique Halpern. « Un peu comme avec une bâche froissée qu’on lisse et dont les rides deviennent de plus en plus petites. Et si tout cela s’arrête soudainement, il ne reste plus que quelques rides résiduelles. »

Halpern a fabriqué le système de lecture du détecteur des nouvelles caméras ultra-sensibles du radiotélescope BICEP2 qui a permis de détecter ces rides résiduelles et de démontrer qu’elles semblent inclure le rayonnement gravitationnel.

Toutefois, Halpern ajoute que quand les données sont sorties, il ne pouvait pas faire confiance à son propre système de lecture.

« Ça fait plus d’un an que nous avons les résultats. Et ma première réaction fut — comme bien des collègues — Oh! nous nous sommes sûrement trompés! »

La signature particulière du rayonnement gravitationnel est très faible et difficile à détecter. Halpern dit que les chercheurs ont craint pendant des années être incapables de voir le signal et, une fois le signal détecté, ils ont passé un an à étudier les données pour écarter toute erreur possible.

Netterfield, dont le laboratoire a fourni de l’équipement électronique et a contribué aux analyses de BICEP2, explique qu’il croyait que la signature serait trop petite pour être lue, mais il est ravi de voir qu’il s’est peut-être trompé.

« C’est comme un rêve », dit Netterfield. « Si l’on n’avait pas réussi à mesurer la signature, nous nous serions retrouvés dans une impasse. »

Il s’agit d’un processus complexe que de déterminer si les données illustrent vraiment des ondes gravitationnelles, et pas du bruit ni une autre erreur. La longueur d’onde des ondes gravitationnelles est incroyablement grande et, conséquemment, les chercheurs sont incapables d’en observer le mouvement; ils ne peuvent détecter qu’un instantané de leur distorsion dans l’espace.

Les chercheurs de l’expérience BICEP2 ont comparé les données à ce que devrait être le fonds diffus cosmologique en l’absence d’ondes et ils ont découvert que la signature ondulatoire détectée était similaire en taille aux prévisions de l’inflation.

Mais vu la complexité de l’expérience, de la technologie et de l’analyse, le Boursier principal Neil Turok (Institut Perimeter de physique théorique) du programme Cosmologie et gravité est sceptique. Selon lui, il demeure des facteurs qui pourraient compliquer ou infirmer les résultats de BICEP2.

Turok explique que le bruit de l’atmosphère terrestre, la galaxie, des distorsions lumineuses dans l’Univers ou d’autres facteurs pourraient compliquer la détection d’une signature si faible. En outre, il ajoute que les articles sur l’expérience BICEP2 parlent de signaux qui sont encore inexpliqués.

« Voilà autant de raisons d’être sur ses gardes. Mais je ne crois pas qu’il y ait place au pessimisme, du tout », dit Turok.

Turok est l’un des auteurs de la théorie de l’univers cyclique selon laquelle l’Univers traverserait une succession de Big Bangs. La version originale de cette théorie affirme que le Big Bang n’aurait pas formé d’ondes gravitationnelles à grandes longueurs d’onde, comme celles que BICEP2 semble avoir détectées. Les nouveaux résultats, s’ils se confirment, infirmerait cette version de la théorie de l’univers cyclique, quoique Turok mentionne que de nouvelles versions pourraient peut-être expliquer les résultats. Cela ferait aussi de lui un perdant dans un pari avec Stephen Hawking — mais c’est un pari que Turok serait heureux de perdre.

« C’est un peu drôle à dire, mais j’espère sincèrement qu’il remportera le pari », dit-il.

Si les résultats de BICEP2 s’avèrent, cela veut dire qu’il y a des effets quantiques observables dans l’Univers. Qui plus est, cela veut dire que le Big Bang a laissé une marque claire dans le ciel.

« Ce qui se passe est vraiment emballant pour la théorie fondamentale et pourrait nous permettre de comprendre ce qui s’est passé pendant le Big Bang », ajoute Turok.

« Et qui de mieux que Stephen Hawking contre qui perdre un pari? », dit-il en riant.

Un certain nombre d’expériences, y compris celle du télescope Planck de l’Agence spatiale européenne, auxquelles collaborent plusieurs chercheurs de l’ICRA, termineront la vérification des résultats de BICEP2 d’ici un an ou deux. Toutefois, les résultats les plus récents de Planck en 2013 contredisent BICEP2, et les nouvelles données nous transportent aux frontières du savoir.

Halpern dit que des débats comme celui qui anime la communauté scientifique ont aussi eu cours entre les membres de l’équipe BICEP2 et voilà précisément la marche à suivre.

« Il s’agit d’une merveilleuse et saine façon de procéder », explique Halpern.

« Si je veux reconsidérer comment fonctionne la physique, il me faut disposer de données d’une grande fiabilité. »

Alors que nous sommes en attente de nouveaux résultats, Netterfield précise que les données de BICEP2 renouvellent l’espoir de nombreux membres du programmeCosmologie et gravité —spécialistes de la polarisation en mode B, c’est-à-dire la distorsion de la lumière du fonds diffus cosmologique — que l’histoire qu’ils tentent de raconter n’est pas, après tout, que science-fiction.

« En un sens, cela vient confirmer que les travaux que nous avons réalisés au sein du programme pour détecter et caractériser la polarisation en mode B sont pertinents. Nous sommes en présence d’un phénomène bien réel », conclut Netterfield.