Notre modèle cosmologique de l'univers, basé sur la mécanique quantique et la relativité générale, traite de la géométrie de l'univers influencée par la matière et l'énergie, qui, dans la plupart des cas, sont considérées comme plates.

Cependant, cela ne dit rien sur la topologie de l'univers lui-même :est-il infini, comporte-t-il des boucles, etc. Le PRL L'étude se concentre sur cet aspect de l'univers et sur la question de savoir si les modèles et données actuels permettent la présence de ces topologies exotiques ou non triviales.

La recherche est effectuée dans le cadre de la collaboration COMPACT composée d’une équipe internationale de scientifiques. L'un des co-auteurs de l'étude, le professeur Glenn D. Starkman de l'université Case Western Reserve dans l'Ohio, aux États-Unis, a parlé à Phys.org du travail de l'équipe.

Discutant de sa motivation à poursuivre ce travail, il a déclaré :"La possibilité que l'univers ait une topologie 'intéressante' relève entièrement de notre modèle standard de physique, mais est néanmoins généralement considérée comme exotique."

"Je craignais depuis longtemps que nous passions à côté d'une découverte extraordinaire sur notre univers en détournant simplement le regard. Entre-temps, il est de plus en plus évident que l'univers n'est pas "statistiquement isotrope", c'est-à-dire que la physique est la même dans toutes les directions. . La topologie est un moyen très naturel pour l'anisotropie de s'infiltrer dans notre univers."

Fond micro-onde cosmique

Le CMB est un type de rayonnement appartenant au spectre des micro-ondes. Prédit dans les années 1940 comme un vestige du Big Bang, il a été détecté en 1965 par accident.

Après le Big Bang, qui est la façon dont l'univers actuel a vu le jour, il n'y avait rien d'autre qu'une soupe de particules et de gaz fondamentaux à des températures et des pressions extrêmement élevées, souvent appelée une soupe primordiale.

À mesure que l’univers s’étendait, il se refroidissait également. Cela a conduit les particules fondamentales à se combiner pour former des atomes. Jusqu’à présent, les photons interagissaient avec ces particules fondamentales et se diffusaient, ne leur permettant pas de voyager librement. Mais une fois que les atomes ont commencé à se former, les photons ont voyagé plus librement, environ 380 000 ans après le Big Bang.

Cela a marqué la propagation du CMB, considéré comme une « rémanence » du Big Bang. Il contient des informations importantes sur les débuts de l'Univers et les processus ultérieurs qui ont conduit à la formation de structures à grande échelle comme les étoiles et les galaxies.

Le CMB est présent partout et, pour la plupart, sa température est uniforme. Cependant, il existe de petites fluctuations et anomalies dans les données CMB qui n'ont pas été expliquées.

Les chercheurs du PRL L'étude propose que ces fluctuations et anomalies dans les mesures du CMB peuvent être expliquées en considérant des topologies non triviales de l'univers, ce qui signifie que nous n'avons pas besoin de le considérer comme « plat ».

Topologie cosmique

La topologie est une branche des mathématiques qui traite de la forme et de la structure des objets. Les règles de topologie sont très différentes des règles de géométrie. Bien que la géométrie et la topologie soient des concepts distincts, la géométrie influence la topologie.

La géométrie définit la façon dont l'espace est courbé (l'espace-temps est considéré comme plat à petite échelle) et la topologie définit la connectivité globale de l'espace.

Si nous devions avoir un espace plat, nous ne pourrions pas avoir de topologies dans lesquelles l'espace se courbe vers l'intérieur ou présente des boucles. Cela signifie que pour voyager entre deux points, il faudrait emprunter un chemin en ligne droite, sans détours ni boucles.

Le professeur Starkman a expliqué :« L'univers ressemble peut-être à un jeu vidéo d'autrefois, dans lequel quitter le côté droit de l'écran vous ferait apparaître par la gauche, vous permettant ainsi de revenir là où vous avez commencé par un chemin en ligne droite. C'est ce qu'on appelle être multiconnecté."

Essentiellement, le chemin en ligne droite suggère que malgré l'apparence d'un mouvement continu, la topologie sous-jacente de l'espace permet une connectivité inattendue, où ce qui semble être une trajectoire linéaire peut en réalité revenir sur elle-même.

Cercles de température correspondants

Si l’univers devait être « multiconnecté » (c’est-à-dire avoir une topologie non triviale), nous observerions des cercles de température appariés. En effet, la lumière provenant d'une source (comme une étoile) peut suivre deux chemins différents et arriver à l'observateur (la Terre) depuis deux directions.

Cela laisse des fluctuations de température similaires sur une carte CMB (ou carte thermique), ce qui entraîne des cercles de température correspondants. Cependant, il n'y a aucune preuve suggérant la présence de ces cercles de température appariés.

"L'absence de cercles de température correspondants est ce qui nous renseigne sur la longueur de la boucle fermée la plus courte qui nous traverse, mais cela ne nous renseigne pas sur la longueur des boucles passant par d'autres endroits", a déclaré le professeur Starkman.

L'absence de cercles de température appariés dans les données CMB suggère que si une topologie non triviale existe, les boucles passant par notre emplacement (Terre) doivent être relativement petites.

Cela impose une limite à la longueur de ces boucles. Le professeur Starkman a expliqué :« Si les anomalies du CMB sont dues à la topologie cosmique, alors la longueur des boucles les plus courtes qui nous traversent ne devrait pas être plus longue d'environ 20 à 30 % que le diamètre de la dernière surface de diffusion, une sphère avec un rayon. égale à la distance parcourue par la lumière dans l'histoire de l'univers."

Contraintes et recherches futures

À la lumière de la contrainte ci-dessus et de la recherche d'une topologie non triviale, les chercheurs proposent des moyens supplémentaires pour détecter une telle topologie à l'avenir.

En particulier, ils mentionnent des altérations dans les modèles statistiques de fluctuations de température dans les données CMB ainsi que dans la structure à grande échelle de l'univers. Ces fluctuations ou alternances apparaîtraient si une topologie non triviale était présente.

Mais ces détections nécessitent une énorme puissance de calcul et les chercheurs suggèrent l'utilisation d'algorithmes d'apprentissage automatique pour accélérer les calculs et l'exploration des données CMB afin de détecter une topologie non triviale.

"La recherche de la topologie sera renouvelée après une interruption d'environ une décennie. Espérons que nous détecterons la topologie cosmique et comprendrons ainsi l'origine de l'anisotropie de notre univers et aurons un aperçu des processus responsables de l'émergence originale de notre univers. " a conclu le professeur Starkman.

L'étude souligne également que même en l'absence de cercles explicitement appariés, la présence d'anisotropie statistique (ou d'anomalies) dans le CMB indique l'existence potentielle d'informations détectables sur la structure et la topologie de l'univers.