Presque tout le monde connaît le Big Bang, l'idée qu'une température incroyablement chaude, univers dense a explosé dans celui que nous connaissons aujourd'hui. Mais que savons-nous de ce qui a précédé ?

Dans la quête pour résoudre plusieurs énigmes découvertes dans l'état initial du Big Bang, les scientifiques ont développé un certain nombre de théories pour décrire l'univers primordial, dont la plus réussie, connue sous le nom d'inflation cosmique, décrit comment l'univers s'est considérablement agrandi en une fraction de seconde éphémère juste avant le Big Bang.

Mais aussi réussie que soit la théorie de l'inflation, les controverses ont donné lieu à des débats animés au fil des ans.

Certains chercheurs ont développé des théories très différentes pour expliquer les mêmes résultats expérimentaux qui ont soutenu la théorie inflationniste jusqu'à présent. Dans certaines de ces théories, l'univers primordial se contractait au lieu de s'étendre, et le Big Bang faisait donc partie d'un Big Bounce.

Certains chercheurs, dont Avi Loeb, le Frank B. Baird, Jr. professeur de sciences et président du département d'astronomie - ont soulevé des inquiétudes au sujet de la théorie, suggérant que son adaptabilité apparemment sans fin le rend pratiquement impossible à tester.

« La situation actuelle pour l'inflation est que c'est une idée si flexible … elle ne peut pas être falsifiée expérimentalement, " dit Loeb. " Peu importe le résultat des personnes observables que l'on entreprend de mesurer, il y a toujours des modèles d'inflation qui peuvent l'expliquer. les expériences ne peuvent qu'aider à cerner certains détails du modèle dans le cadre de la théorie de l'inflation, mais ne peut pas tester la validité du cadre lui-même. Cependant, la falsifiabilité devrait être une caractéristique de toute théorie scientifique.

C'est là qu'intervient Xingang Chen.

Maître de conférences en astronomie, Chen et ses collaborateurs ont développé pendant de nombreuses années l'idée d'utiliser ce qu'il a appelé une « horloge étalon primordiale » comme sonde de l'univers primordial. Avec Loeb et Zhong-Zhi Xianyu, chercheur postdoctoral au département de physique, Chen a appliqué cette idée aux théories non inflationnistes après avoir pris connaissance d'un débat intense en 2017 qui se demandait si les théories inflationnistes faisaient des prédictions. Dans un article publié sous la forme d'une suggestion de l'éditeur dans Lettres d'examen physique , l'équipe a présenté une méthode qui peut être utilisée pour falsifier expérimentalement la théorie de l'inflation.

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 diverses théories - l'histoire évolutive de la taille de l'univers primordial. "Par exemple, pendant le gonflage, par définition, la taille de l'univers croît de façon exponentielle, " dit Xianyu. " Dans certaines théories alternatives, la taille de l'univers se contracte, dans certains très lentement et dans d'autres très rapidement.

"Les observables conventionnels que les gens ont proposés jusqu'à présent ont du mal à distinguer les différentes théories car ces observables ne sont pas directement liés à cette propriété, " a-t-il poursuivi. " Nous avons donc voulu trouver quelles sont les observables qui peuvent être liées à cette propriété déterminante. "

Les signaux générés par l'horloge standard primordiale peuvent servir à cet effet.

Cette horloge, Chen a dit, est tout type de particule élémentaire massivement lourde dans l'univers primordial énergétique. De telles particules devraient exister dans n'importe quelle théorie, et ils oscillent à une fréquence régulière, un peu comme le balancement du pendule d'une horloge.

L'univers primordial n'était pas entièrement uniforme. Les fluctuations quantiques sont devenues les germes de la structure à grande échelle de l'univers d'aujourd'hui et une source clé d'informations sur laquelle les physiciens s'appuient pour en savoir plus sur ce qui s'est passé avant le Big Bang. La théorie décrite par Chen suggère que les tics de l'horloge standard ont généré des signaux qui ont été imprimés dans la structure de ces fluctuations. Et parce que les horloges standard dans différents univers primordiaux laisseraient différents modèles de signaux, Chen a dit, ils pourront peut-être déterminer quelle théorie de l'univers primordial est la plus précise.

« 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 images 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 de quoi parle ce film."

L'équipe a calculé à quoi ces signaux d'horloge standard devraient ressembler dans les théories non inflationnistes, et a suggéré comment les rechercher dans les observations astrophysiques. « Si un modèle de signaux représentant un univers en contraction était trouvé, " Xianyu a dit, "cela fausserait toute la théorie inflationniste, quels que soient les modèles détaillés que l'on construit."

Le succès de cette idée réside dans l'expérimentation. "Ces signaux seront très subtils à détecter, " a déclaré Chen. " Notre proposition est qu'il devrait y avoir une sorte de champs massifs qui ont généré ces empreintes et nous avons calculé leurs modèles, mais nous ne savons pas quelle est l'amplitude globale de ces signaux. Il se peut qu'ils soient très faibles et très difficiles à détecter, cela signifie donc que nous devrons chercher dans de nombreux endroits différents.

"Le rayonnement de fond de micro-ondes cosmique est un endroit, " a-t-il poursuivi. " La répartition 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 encore besoin de plus de données."

Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de la Harvard Gazette, Journal officiel de l'Université de Harvard. Pour des nouvelles universitaires supplémentaires, visitez Harvard.edu.