Une équipe de scientifiques a proposé un nouveau test puissant pour l'inflation, la théorie selon laquelle l'univers s'est considérablement agrandi en une fraction de seconde éphémère juste après le Big Bang. Leur objectif est de donner un aperçu d'une question de longue date :à quoi ressemblait l'univers avant le Big Bang ?

Bien que l'inflation cosmique soit bien connue pour résoudre certains mystères importants sur la structure et l'évolution de l'univers, d'autres théories très différentes peuvent aussi expliquer ces mystères. Dans certaines de ces théories, l'état de l'univers précédant le Big Bang - le soi-disant univers primordial - se contractait au lieu de s'étendre, et le Big Bang faisait donc partie d'un Big Bounce.

Pour aider à décider entre l'inflation et ces autres idées, la question de la falsifiabilité, c'est-à-dire si une théorie peut être testée pour potentiellement montrer qu'elle est fausse – a inévitablement surgi. Certains chercheurs, dont Avi Loeb du Centre d'Astrophysique | Harvard &Smithsonian (CfA) à Cambridge, Masse., ont soulevé des inquiétudes au sujet de l'inflation, suggérant que son adaptabilité apparemment sans fin le rend pratiquement impossible à tester correctement.

"La falsifiabilité devrait être la marque de toute théorie scientifique. La situation actuelle de l'inflation est que c'est une idée si flexible, il ne peut pas être falsifié expérimentalement, " a déclaré Loeb. " Peu importe la valeur que les gens mesurent pour un attribut observable, il y a toujours des modèles d'inflation qui peuvent l'expliquer."

Maintenant, une équipe de scientifiques dirigée par Xingang Chen du CfA, avec Loeb, et Zhong-Zhi Xianyu du Département de physique de l'Université Harvard, ont appliqué une idée qu'ils appellent une « horloge standard primordiale » aux théories non inflationnistes, et a exposé une méthode qui peut être utilisée pour falsifier l'inflation expérimentalement. L'étude paraîtra dans Lettres d'examen physique comme suggestion des éditeurs.

Dans un effort pour trouver une caractéristique qui peut séparer l'inflation des autres théories, l'équipe a commencé par identifier la propriété déterminante des différentes théories - l'évolution de la taille de l'univers primordial.

"Par exemple, pendant le gonflage, la taille de l'univers croît de façon exponentielle, " dit Xianyu. " Dans certaines théories alternatives, la taille de l'univers se contracte. Certains le font très lentement, tandis que d'autres le font très vite.

"Les attributs que les gens ont proposé jusqu'à présent de mesurer ont généralement du mal à faire la distinction entre les différentes théories car ils ne sont pas directement liés à l'évolution de la taille de l'univers primordial, " continua-t-il. " Alors, nous voulions trouver quels sont les attributs observables qui peuvent être directement liés à cette propriété déterminante."

Les signaux générés par l'horloge standard primordiale peuvent servir un tel objectif. Cette horloge est n'importe quel type de particule élémentaire lourde dans l'univers primordial. De telles particules devraient exister dans n'importe quelle théorie et leurs positions devraient osciller à une fréquence régulière, un peu comme le tic-tac du pendule d'une horloge.

L'univers primordial n'était pas entièrement uniforme. Il y avait de minuscules irrégularités de densité sur des échelles minuscules qui sont devenues les graines de la structure à grande échelle observée dans l'univers d'aujourd'hui. C'est la principale source d'informations sur laquelle les physiciens s'appuient pour en savoir plus sur ce qui s'est passé avant le Big Bang. Les tics de l'horloge standard généraient des signaux qui étaient imprimés dans la structure de ces irrégularités. Les horloges standard dans différentes théories de l'univers primordial prédisent différents modèles de signaux, parce que les histoires évolutives de l'univers sont différentes.

"Si nous imaginons que toutes les informations que nous avons apprises jusqu'à présent sur ce qui s'est passé avant le Big Bang se trouvent dans un rouleau d'images de film, alors l'horloge standard nous dit comment ces trames doivent être jouées, " expliqua Chen. " Sans aucune information d'horloge, on ne sait pas si le film doit être joué en avant ou en arrière, rapide ou lent, tout comme nous ne savons pas si l'univers primordial se gonflait ou se contractait, et à quelle vitesse il l'a fait. Là est le problème. L'horloge standard a mis des horodatages sur chacune de ces images lorsque le film a été tourné avant le Big Bang, et nous dit comment jouer le film."

L'équipe a calculé à quoi ces signaux d'horloge standard devraient ressembler dans les théories non inflationnistes, et a suggéré comment ils devraient être recherchés dans les observations astrophysiques. « Si un modèle de signaux représentant un univers en contraction était trouvé, cela fausserait toute la théorie inflationniste, " dit Xianyu.

Le succès de cette idée réside dans l'expérimentation. "Ces signaux seront très subtils à détecter, " Chen a dit, "et donc nous devrons peut-être chercher dans de nombreux endroits différents. Le rayonnement de fond cosmique micro-ondes est l'un de ces endroits, et la distribution des galaxies en est une autre. Nous avons déjà commencé à rechercher ces signaux et il y a déjà des candidats intéressants, mais nous avons besoin de plus de données."

De nombreux futurs relevés de galaxies, tels que le LSST américain, Euclid de l'européen et le projet nouvellement approuvé par la NASA, SphèreX, sont censés fournir des données de haute qualité qui peuvent être utilisées pour atteindre l'objectif.

La préimpression de cet article est disponible sur :arxiv.org/abs/1809.02603 . Un travail antérieur connexe peut être trouvé sur :arxiv.org/abs/1509.03930 .