La matière noire et l'énergie noire peuvent avoir entraîné l'inflation, l'expansion exponentielle de l'univers quelques instants après le Big Bang. Un nouveau modèle cosmologique proposé par des physiciens de l'Université de Varsovie, qui explique l'inflation noire, est le premier à esquisser une chronologie précise des principaux événements de l'histoire primitive de notre univers. Le modèle fait une prédiction spectaculaire :il devrait être possible de détecter les ondes gravitationnelles formées quelques fractions de seconde seulement après la création de l'espace-temps.

Que savons-nous de l'évolution de l'univers immédiatement après le Big Bang ? Malgré des recherches approfondies menées depuis des décennies, les modèles cosmologiques actuels n'esquissent toujours pas une chronologie précise des événements. Des chercheurs de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie (UW Physics) ont développé un nouveau modèle dans lequel l'expansion exponentielle de la matière noire et de l'énergie noire joue un rôle clé. Le modèle d'inflation sombre organise l'histoire thermique de l'univers par ordre chronologique et prédit que nous devrions bientôt être en mesure de détecter les ondes gravitationnelles primordiales formées immédiatement après le Big Bang.

La première structure de l'univers que nous pouvons étudier aujourd'hui est le rayonnement du fond diffus cosmologique (CMB). Cette relique électromagnétique date d'environ 380, 000 ans après le Big Bang et est étonnamment homogène, même dans des régions si éloignées que la lumière n'aurait pas pu couvrir la distance entre elles dans le temps disponible. En 1979, Alan Guth a proposé l'inflation comme explication simple de cette uniformité :Les vastes distances actuelles entre les régions homogènes sont si grandes parce qu'à un moment donné, il y avait une expansion extrêmement rapide de l'espace-temps, grossissant un milliard de milliards de milliards de fois en quelques fractions de seconde. Cela aurait été provoqué par un champ d'inflation hypothétique et des particules appelées inflatons.

"Le problème fondamental avec l'inflation est que nous ne savons pas vraiment quand exactement cela s'est produit, ou à quels niveaux d'énergie. La gamme d'énergies auxquelles l'inflation aurait pu se produire est vaste, s'étendant sur 70 ordres de grandeur, " explique le professeur Zygmunt Lalak (UW Physics). Il ajoute, "L'inflation est décrite comme une période d'expansion en surfusion. Cependant, pour que les modèles cosmologiques soient cohérents, suite à l'inflation, l'univers aurait dû subir un réchauffement à très haute température, et nous n'avons aucune idée de comment ou quand cela a pu se produire. Tout comme pour l'inflation elle-même, nous avons affaire à des énergies dans une gamme de 70 ordres de grandeur. Par conséquent, l'histoire thermique de l'univers n'a pas encore été décrite."

Les mesures du rayonnement CMB via le satellite Planck ont ​​été utilisées pour estimer la composition de l'univers contemporain. Il s'avère que l'énergie noire comprend jusqu'à 69% de toute l'énergie/matière existante, avec la matière noire comprenant 26 pour cent et la matière ordinaire seulement 5 pour cent. La matière noire et la matière ordinaire n'interagissent pas du tout, ou leurs interactions sont si faibles que nous commençons tout juste à remarquer l'impact gravitationnel de la matière noire sur le mouvement des étoiles dans les galaxies et des galaxies dans les amas. L'énergie noire devrait être un facteur responsable de l'expansion accélérée de l'univers.

"Notre modèle d'inflation est très différent de ceux proposés dans le passé. Nous sommes partis de l'hypothèse que depuis aujourd'hui, la matière noire et l'énergie noire représentent jusqu'à 95% de la structure de l'univers, alors les deux facteurs doivent également avoir été extrêmement importants immédiatement après le Big Bang. C'est pourquoi nous décrivons le secteur sombre de l'univers comme responsable du processus d'inflation, " explique le Dr Michal Artymowski (UW Physics), auteur principal de l'article publié dans le Journal de cosmologie et de physique des astroparticules .

Dans le modèle proposé, l'inflation est entraînée par un champ scalaire. Les propriétés du champ signifient que l'inflation n'est pas permanente et qu'elle doit prendre fin - à un moment donné, le taux d'expansion de l'univers commencera à ralentir au lieu d'accélérer. Au moment de ce changement, de nouvelles particules relativistes se forment, se comportent de la même manière que les radiations. Certaines de ces particules sont décrites par le modèle standard, tandis que d'autres peuvent correspondre à des particules prédites par des théories au-delà du modèle standard, comme la supersymétrie.

« Dans nos modèles, les nouvelles particules sont le résultat de la gravitation, qui est une force très faible. Le processus de formation des particules est inefficace, et à la fin de l'inflation, les inflatons continuent de dominer l'univers, " dit Olga Czerwinska, doctorat étudiant à UW Physics.

Afin de recréer la dominance observée du rayonnement dans l'univers, les gonflages devraient perdre de l'énergie rapidement. Les chercheurs proposent deux mécanismes physiques qui pourraient être responsables du processus. Ils révèlent que le nouveau modèle prédit le cours des événements de l'histoire thermique de l'univers avec une précision bien plus grande qu'auparavant.

Les prédictions du modèle concernant les ondes gravitationnelles primordiales sont particulièrement intéressantes. Les ondes gravitationnelles sont des vibrations de l'espace-temps lui-même, et ils ont déjà été détectés plusieurs fois. Dans chaque cas, leur source a été la fusion d'une paire de trous noirs ou d'étoiles à neutrons. Les modèles cosmologiques actuels prédisent que les ondes gravitationnelles devraient également apparaître à la suite de l'inflation. Cependant, toutes les preuves suggéraient que les vibrations de l'espace-temps causées par l'inflation seraient maintenant si faibles qu'aucun détecteur existant ou futur n'aurait pu les enregistrer. Ces prédictions ont été révisées lorsque des physiciens de l'Université de Varsovie ont pris en compte les effets du secteur sombre de l'univers.

"Les ondes gravitationnelles perdent de l'énergie sous forme de rayonnement. Cependant, les gonflages doivent le perdre beaucoup plus rapidement. Si l'inflation impliquait le secteur obscur, l'entrée des ondes gravitationnelles a augmenté proportionnellement. Cela signifie que les traces des ondes gravitationnelles primordiales ne sont pas aussi faibles que nous le pensions à l'origine, " ajoute le Dr Artymowski.

Les estimations faites par le physicien de Varsovie sont optimistes. Les données suggèrent que les ondes gravitationnelles primordiales pourraient être détectées par des observatoires actuellement au stade de la conception ou en construction, tels que l'Observatoire d'ondes gravitationnelles de l'interféromètre Deci-Hertz (DECIGO), Antenne spatiale interférométrique laser (LISA), European Pulsar Timing Array (EPTA) et Square Kilometer Array (SKA). Les premiers événements pourraient être détectés dans la décennie à venir. Pour les cosmologistes, ce serait une découverte sans précédent, ouvrant la voie à la recherche sur les événements gravitationnels qui ont eu lieu immédiatement après le Big Bang, une période jusqu'alors impossible à étudier.

Le modèle d'inflation sombre a un autre aspect fascinant :il est fortement dépendant de la théorie gravitationnelle. En comparant les prédictions du modèle avec les données recueillies par les observatoires gravitationnels, les cosmologistes devraient être en mesure de fournir de nouvelles vérifications de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Que se passe-t-il s'ils trouvent des écarts? Cela signifierait que les données d'observation fournissent les premières informations sur les propriétés de la gravité réelle.