Comme le dit la théorie du Big Bang, il y a environ 13,8 milliards d'années, l'univers a explosé, comme un infiniment petit, boule de feu compacte de matière qui se refroidit en se dilatant, déclenchant des réactions qui ont concocté les premières étoiles et galaxies, et toutes les formes de matière que nous voyons (et sommes) aujourd'hui.

Juste avant que le Big Bang ne lance l'univers sur sa trajectoire en constante expansion, les physiciens croient, il y en avait un autre, phase plus explosive de l'univers primitif en jeu :l'inflation cosmique, qui a duré moins d'un milliardième de seconde. Au cours de cette période, matière - un rhume, goop homogène - gonflé exponentiellement rapidement avant que les processus du Big Bang ne prennent le relais pour étendre et diversifier plus lentement l'univers naissant.

Des observations récentes ont soutenu indépendamment les théories du Big Bang et de l'inflation cosmique. Mais les deux processus sont si radicalement différents l'un de l'autre que les scientifiques ont eu du mal à concevoir comment l'un suivait l'autre.

Maintenant physiciens au MIT, Collège Kenyon, et ailleurs ont simulé en détail une phase intermédiaire de l'univers primitif qui aurait pu combler l'inflation cosmique avec le Big Bang. Cette étape, connu sous le nom de "réchauffage, " s'est produit à la fin de l'inflation cosmique et impliquait des processus qui ont lutté contre le froid de l'inflation, matière uniforme dans l'ultrachaud, soupe complexe qui était en place au début du Big Bang.

« La période de réchauffement post-inflation crée les conditions du Big Bang, et dans un certain sens met le "bang" dans le Big Bang, " dit David Kaiser, le professeur Germeshausen d'histoire des sciences et professeur de physique au MIT. "C'est cette période de pont où tout l'enfer se déchaîne et la matière se comporte de manière tout sauf simple."

Kaiser et ses collègues ont simulé en détail comment plusieurs formes de matière auraient interagi pendant cette période chaotique à la fin de l'inflation. Leurs simulations montrent que l'énergie extrême à l'origine de l'inflation aurait pu être redistribuée tout aussi rapidement, en une fraction de seconde encore plus petite, et d'une manière qui a produit les conditions qui auraient été requises pour le début du Big Bang.

L'équipe a découvert que cette transformation extrême aurait été encore plus rapide et plus efficace si les effets quantiques avaient modifié la façon dont la matière réagissait à la gravité à très haute énergie. s'écartant de la façon dont la théorie de la relativité générale d'Einstein prédit que la matière et la gravité devraient interagir.

"Cela nous permet de raconter une histoire ininterrompue, de l'inflation à la période post-inflation, jusqu'au Big Bang et au-delà, " dit Kaiser. "Nous pouvons tracer un ensemble continu de processus, tous avec une physique connue, dire que c'est une façon plausible dont l'univers a pris l'apparence que nous voyons aujourd'hui."

Les résultats de l'équipe paraissent aujourd'hui dans Lettres d'examen physique . Les co-auteurs de Kaiser sont l'auteur principal Rachel Nguyen, et John T. Giblin, tous deux du Kenyon College, et ancien étudiant diplômé du MIT Evangelos Sfakianakis et Jorinde van de Vis, tous deux de l'Université de Leiden aux Pays-Bas.

"En phase avec lui-même"

La théorie de l'inflation cosmique, proposé pour la première fois dans les années 1980 par Alan Guth du MIT, le V.F. Professeur Weisskopf de physique, prédit que l'univers a commencé comme un très petit grain de matière, peut-être environ un cent milliardième de la taille d'un proton. Ce grain était rempli de matière à ultra-haute énergie, si énergique que les pressions à l'intérieur ont généré une force gravitationnelle répulsive, la force motrice de l'inflation. Comme une étincelle à un fusible, cette force gravitationnelle a fait exploser l'univers infantile vers l'extérieur, à un rythme toujours plus rapide, le gonflant à près d'un octillion de fois sa taille d'origine (c'est le numéro 1 suivi de 26 zéros), en moins d'un milliardième de seconde.

Kaiser et ses collègues ont tenté de déterminer à quoi auraient pu ressembler les premières phases de réchauffement – ​​cet intervalle de pont à la fin de l'inflation cosmique et juste avant le Big Bang.

« Les premières phases de réchauffement devraient être marquées par des résonances. Une forme de matière à haute énergie domine, et il secoue d'avant en arrière en synchronisation avec lui-même à travers de vastes étendues d'espace, conduisant à une production explosive de nouvelles particules, " dit Kaiser. " Ce comportement ne durera pas éternellement, et une fois qu'il commence à transférer de l'énergie à une deuxième forme de matière, ses propres balançoires deviendront plus agitées et inégales dans l'espace. Nous voulions mesurer combien de temps il faudrait pour que cet effet de résonance se dissipe, et pour que les particules produites se dispersent les unes les autres et parviennent à une sorte d'équilibre thermique, rappelant les conditions du Big Bang."

Les simulations informatiques de l'équipe représentent un grand réseau sur lequel ils ont cartographié plusieurs formes de matière et suivi comment leur énergie et leur distribution ont changé dans l'espace et au fil du temps alors que les scientifiques faisaient varier certaines conditions. Les conditions initiales de la simulation étaient basées sur un modèle inflationniste particulier, un ensemble de prédictions sur la façon dont la distribution de matière de l'univers primitif aurait pu se comporter pendant l'inflation cosmique.

Les scientifiques ont choisi ce modèle particulier d'inflation par rapport à d'autres parce que ses prédictions correspondent étroitement aux mesures de haute précision du fond diffus cosmologique - une lueur résiduelle de rayonnement émise à seulement 380, 000 ans après le Big Bang, qui contiendrait des traces de la période inflationniste.

Un ajustement universel

La simulation a suivi le comportement de deux types de matière qui ont pu être dominants lors du gonflage, très semblable à un type de particule, le boson de Higgs, cela a été récemment observé dans d'autres expériences.

Avant d'exécuter leurs simulations, l'équipe a ajouté un léger "ajustement" à la description de la gravité du modèle. Alors que la matière ordinaire que nous voyons aujourd'hui répond à la gravité tout comme Einstein l'avait prédit dans sa théorie de la relativité générale, matière à des énergies beaucoup plus élevées, comme ce que l'on pense avoir existé pendant l'inflation cosmique, devrait se comporter légèrement différemment, interagir avec la gravité de manière modifiée par la mécanique quantique, ou des interactions à l'échelle atomique.

Dans la théorie de la relativité générale d'Einstein, la force de gravité est représentée comme une constante, avec ce que les physiciens appellent un couplage minimal, ce qui signifie que, quelle que soit l'énergie d'une particule particulière, il répondra aux effets gravitationnels avec une force définie par une constante universelle.

Cependant, aux très hautes énergies qui sont prédites dans l'inflation cosmique, la matière interagit avec la gravité d'une manière un peu plus compliquée. Les effets de la mécanique quantique prédisent que la force de gravité peut varier dans l'espace et dans le temps lorsqu'elle interagit avec de la matière à ultra haute énergie, un phénomène connu sous le nom de couplage non minimal.

Kaiser et ses collègues ont incorporé un terme de couplage non minimal à leur modèle inflationniste et ont observé comment la distribution de la matière et de l'énergie changeait à mesure qu'ils augmentaient ou diminuaient cet effet quantique.

En fin de compte, ils ont découvert que plus l'effet gravitationnel quantiquement modifié était puissant pour affecter la matière, plus vite l'univers est passé du froid, matière homogène en gonflage au plus chaud, diverses formes de matière caractéristiques du Big Bang.

En réglant cet effet quantique, ils pourraient faire en sorte que cette transition cruciale se déroule sur 2 à 3 "e-folds, " se référant au temps qu'il faut pour que l'univers triple (à peu près) de taille. Dans ce cas, ils ont réussi à simuler la phase de réchauffement dans le temps qu'il faut à l'univers pour tripler de taille deux à trois fois. Par comparaison, l'inflation elle-même a eu lieu sur environ 60 plis électroniques.

"Le réchauffage a été une période de folie, quand tout s'est détraqué, " dit Kaiser. " Nous montrons que la matière interagissait si fortement à ce moment-là qu'elle pouvait également se détendre rapidement, magnifiquement planté le décor du Big Bang. Nous ne savions pas que c'était le cas, mais c'est ce qui ressort de ces simulations, le tout avec une physique connue. C'est ce qui est excitant pour nous."