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À l’instar de la question de longue date de savoir ce qui se trouve au-delà du cosmos observable, l’enquête sur ce qui existait avant le BigBang – le moment qui a marqué la naissance de l’espace, du temps et de la matière il y a 13,8 milliards d’années – reste l’un des mystères les plus profonds de la physique moderne. Lors d'une conférence en 2017, le célèbre physicien théoricien DavidTong a souligné que le terme « BigBang » est un terme inapproprié, car il véhicule l'image d'une simple explosion alors qu'en fait, nous n'avons aucune connaissance empirique de ce qui a précédé la singularité.
Au cœur de ce puzzle se trouve la singularité elle-même :un point où toute la masse et l’énergie de l’univers seraient compressées dans un volume infinitésimal, ce qui donnerait une densité infinie et une étendue spatiale nulle. Bien que la singularité soit également une caractéristique des intérieurs des trous noirs, les conditions exactes qui ont donné naissance à l'univers en expansion sont encore inconnues.
Au cours des dernières décennies, une poignée d’hypothèses ont cherché à combler ce vide. En 2008, l’analyse du fond diffus cosmologique (CMB) – la faible rémanence du BigBang – a suggéré que les fluctuations de température primordiales pourraient faire allusion à une « bulle » provenant d’un univers préexistant. Un article de 2018 dans Physical Review Letters de LathamBoyle, KieranFinn et NeilTurok ont avancé l'idée d'un univers en miroir et à contre-courant qui existait avant le BigBang. Des travaux plus récents ont même postulé un intervalle fugace entre la singularité et le BigBang, au cours duquel l'univers a subi une expansion rapide qui pourrait générer la matière noire que nous observons aujourd'hui.
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Même si nous ne pouvons pas encore cerner l’état du cosmos au moment de sa naissance, la cosmologie fournit une image remarquablement précise des premiers instants de l’univers. En mesurant le taux d’expansion et en extrapolant vers l’arrière, nous déduisons que l’univers était autrefois condensé en une singularité :un état de densité et de température infinies. La température au moment du BigBang est estimée à 1,8×10³²°F (10²⁶K), un chiffre qui souligne les conditions extrêmes qui régnaient alors.
Comment, alors, quelque chose pourrait-il préexister à un univers censé avoir commencé par une singularité ? La réponse réside dans l’évolution du framework BigBang lui-même. Le modèle standard décrit une phase d’inflation rapide – une fraction de seconde pendant laquelle l’univers s’est développé plus vite que la lumière – immédiatement après la singularité. Des développements théoriques récents suggèrent que cette époque inflationniste pourrait elle-même être une transition par rapport à une phase antérieure, offrant une fenêtre sur le monde d'avant le BigBang.
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L’inflation cosmique a été évoquée pour la première fois au début des années 1980 par AlanGuth, AlexeiStarobinsky, AndreiLinde et KatsuhikoSato. La théorie propose qu’une brève expansion exponentielle se soit produite avant le BigBang canonique, lissant la géométrie de l’univers et imprimant les anisotropies subtiles que nous observons maintenant dans le CMB. Les preuves de fluctuations du superhorizon – des variations de température qui dépassent l’horizon causal – soutiennent l’existence d’une telle phase inflationniste pré-BigBang, car elles ne peuvent pas être produites par la seule physique post-inflationniste standard.
Ces informations jettent les bases pour déterminer si des formes exotiques de matière, telles que la matière noire, auraient pu apparaître au cours de cet intervalle.
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La matière noire constitue environ 85 % de la masse totale de l’univers, mais elle échappe à la détection directe car elle n’émet ni n’absorbe de rayonnement électromagnétique. Son influence gravitationnelle est cependant évidente dans les courbes de rotation galactique et la formation de structures à grande échelle.
Dans une étude de 2024 publiée dans Physical Review Letters , KatherineFreese, GabrieleMontefalcone et BarmakShamsEsHaghi de l'Université du Texas à Austin, ont présenté le modèle de « gonflage à chaud via la congélation des ultraviolets » (WIFI). Ce cadre propose que la matière noire a été produite pendant l’époque inflationniste elle-même, par le biais d’interactions infimes entre le champ d’inflaton et un bain thermique généré par la désintégration de l’inflaton en rayonnement.
Freese a expliqué dans un communiqué de presse :"Dans la plupart des modèles, toute particule créée lors de l'inflation est diluée par l'expansion exponentielle. Le mécanisme WIFI, cependant, permet à la matière noire d'être générée in situ et de survivre à la dilution inflationniste. "
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Bien que le scénario WIFI soit mathématiquement complexe, il offre un récit convaincant :la matière noire aurait pu être forgée dans la chaleur des débuts de l’univers, juste avant le BigBang, et persisterait encore aujourd’hui. De plus, le modèle prédit une efficacité dans la production de matière noire qui surpasse les mécanismes de gel conventionnels, résolvant potentiellement les tensions entre la densité de matière noire observée et les attentes de la physique des particules.
"Au-delà de la matière noire, le WIFI suggère une applicabilité plus large à la génération d'autres particules reliques qui pourraient avoir joué un rôle central dans la formation de l'univers primitif", a noté ShamsEsHaghi. "Ces connaissances ouvrent de nouvelles voies à la fois pour les recherches théoriques et les recherches expérimentales."
À mesure que les recherches se poursuivent, les observations à venir, telles que celles du télescope spatial James Webb et des expériences CMB de nouvelle génération, pourraient fournir les données nécessaires pour confirmer ou réfuter l'hypothèse du WIFI, réécrivant potentiellement notre compréhension des premiers instants de l'univers.