L'inflation cosmologique

Bonsoir à tous et à toutes !

Si vous choisissez la fac de physique-chimie/maths après votre année de terminale S, vous aurez à réaliser un atelier pédagogique qui ressemble à un TPE sauf que vous êtes tous seuls. Vous avez un prof référent qui vous expliquera votre sujet et après vous avez carte blanche pour rédiger un dossier et le présenter à l'oral.

Avec mon groupe on a choisi, l'inflation cosmologique et comme M.Prof a proposé une discussion, je vous raconte un peu (en résumant). On va commencer à travailler sur la partie physique et les équations mathématique de la théorie donc je ne peux pas encore en parler. On va faire un peu d'histoire des sciences et je vais surtout parler de ma partie : une expérience qui pourrait tout changer...

Comme vous le savez peut-être (ou pas), notre Univers est en expansion. Grâce aux découvertes de Hubble en 1929 et celles d'autres astrophysiciens, on constate que les galaxies s'éloignent de nous à une vitesse proportionnelle à leur distance. De plus, en regardant le spectre des étoiles, on constate aussi un décalage de certaines raies caractéristiques vers le rouge : c'est ce qu'on appelle le "red-shift" du Doppler-Fizeau.

Il faut savoir que la physique repose sur un grand principe : la causalité, c'est-à-dire qu'une cause précède toujours les effets. Il semblerait donc que même pendant le Big Bang, étant donnée la vitesse actuelle de l'expansion, certaines régions aient été causalement déconnectées.

On cherche à savoir ce qu'il s'est passé à l'instant zéro de la création de l'univers, comment sommes nous passés d'un univers infiniment petit, chaud et dense, il y a 14 milliards d'années, à celui que nous connaissons aujourd'hui (immense, froid) ?

On se base sur la théorie du Big Bang "chaud" pour expliquer la naissance de l'univers (violente explosion,...). Cependant, cette théorie révèle des problèmes qu'elle n'explique pas :
- l'isotropie de l'univers = il est homogène et le même peu importe la direction dans laquelle on le regarde.
- la platitude de l'univers = la courbure spatiale est plate (prenez l'exemple d'un ballon : quand vous regardez sa surface de très très près, vous avez l'impression qu'elle est plate)

Revenons à la naissance de l'Univers. Celle-ci commence 10^-35 secondes après le BigBang, au début de l'ère de Planck. A cet instant, il était infiniment dense et sa température était très élevée (> à 5000 Kelvin).
Lorsqu'il commença à se dilater, donc à entrer en expansion, sa densité et sa température diminuèrent. La théorie inflationnaire propose à cet instant une phase d'expansion très accélérée et de façon exponentielle. Les distances se sont multiplier par 10^50 pendant 10^-32 secondes !!

Cette théorie fut pour la première fois pensée par un physicien soviétique nommé Erast Glinder dans les années 70. Il faut attendre 1981 pour que Alan Guth du Massachusetts Institute of Technolgy présente un nouveau modèle dans lequel différentes configurations initiales peuvent avoir conduit à l'univers actuel : la théorie inflationnaire.
Mais ce n'est qu'en 1983, qu'apparaîtra le meilleur modèle, celui du physicien russe André Linde, dénommé "inflation chaotique (on va commencer à travailler dessus).

Mais revenons au présent. Aujourd'hui, les scientifiques cherchent par tous les moyens de prouver expérimentalement cette théorie.
Comme je l'ai dis plus haut, l'univers a été très chaud et très dense. Mais après 380 000 années, la densité de la matière est devenue assez faible pour que les photons et les particules puissent se propager librement dans l'espace. C'est cette lumière qu'on appelle rayonnement cosmique (ou fond cosmologique). Il est encore observable de nos jours même s'il s'est affaibli. Mais avant cela, il semblerait que ce rayonnement ait "enregistrer" la trace d'événements d'un passé très ancien.
L'univers primordial aurait été parcouru par des ondes appelés gravitationnelles (sortes d'ondulations de l'espace prévu par la théorie de la relativité d'Einstein). Or la polarisation de la lumière peut être modifiée par de telles ondes. De plus, les modèles prédisent que la quantification du champ gravitationnel combinée à une expansion exponentielle de l'espace entraîne la formation d'ondes gravitationnelles qui aurait donc laissées une trace sur le rayonnement en le polarisant, ce qui se traduirait par un signale caractéristique. C'est ce dernier qui est activement cherché par les scientifiques car il apporterait la preuve de l'existence d'un épisode inflationnaire.
BICEP (=Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) est une expérience qui mesure la polarisation du rayonnement fossile.
Les scientifiques de BICEP ont réalisé une expérience au pôle sud. Il ont observé pendant 3 ans une certaine partie du ciel avec un télescope particulier à une fréquence de 150 GHz. Et il semblerait qu'en 2014 ils ait trouvé une preuve de cette inflation.
Ils ont observés la carte de polarisation du rayonnement cosmique. La polarisation de la lumière est caractérisée par la direction d'oscillation du champ électrique de l'onde électromagnétique. Sur de telles cartes on distinct deux motifs appelés mode B et E. Or les modes sont ceux qui sont responsables de la déformation de l'espace temps. C'est donc ces derniers qu'il faut trouver pour valider la théorie inflationnaire. Et il semblerait qu'en 2014, les scientifiques de BICEP les ont observé, ce qui validerait l'épisode inflationnaire.
Cependant, les scientifiques ont des doutes sur leurs observations pour plusieurs raisons :
- D'abord, les ondes gravitationnelles interagissent très peu avec la matière et sont donc difficile à observer. A l'heure d'aujourd'hui, les preuves de leur existence restent indirectes.
- Ensuite, le signal tant cherché est perturbée par les poussières interstellaires et il se pourrait qu'elles aient influencées les observations de BICEP. Pour évaluer cette influence, il faudrait pouvoir effectuer des mesures à d'autres fréquences et comparer les signaux. Or ceci n'est pas vraiment possible car depuis la terre, seuls les fréquences de 100 à 150 GHz sont utilisable.
BICEP ne peut donc pas encore certifier la théorie de l'inflation mais ils sont surement sur la bonne voie, mais il faudra encore du temps pour valider cette théorie.