Alors que la théorie de la relativité générale d'Einstein peut expliquer un large éventail de phénomènes astrophysiques et cosmologiques fascinants, certains aspects des propriétés de l'univers aux plus grandes échelles restent un mystère. Une nouvelle étude utilisant la cosmologie quantique en boucle - une théorie qui utilise la mécanique quantique pour étendre la physique gravitationnelle au-delà de la théorie de la relativité générale d'Einstein - explique deux mystères majeurs. Alors que les différences entre les théories se produisent à la plus petite des échelles, bien plus petites qu'un proton, elles ont des conséquences à la plus grande des échelles accessibles dans l'univers. L'étude, qui paraît en ligne le 29 juillet dans le journal Lettres d'examen physique , fournit également de nouvelles prédictions sur l'univers que les futures missions satellitaires pourraient tester.

Alors qu'une image agrandie de l'univers semble assez uniforme, il a une structure à grande échelle, par exemple parce que les galaxies et la matière noire ne sont pas uniformément réparties dans l'univers. L'origine de cette structure a été retracée aux inhomogénéités minuscules observées dans le fond diffus cosmologique (CMB) - un rayonnement émis lorsque l'univers avait 380 000 ans et que nous pouvons encore voir aujourd'hui. Mais le CMB lui-même a trois caractéristiques déroutantes qui sont considérées comme des anomalies car elles sont difficiles à expliquer en utilisant la physique connue.

"Bien que voir l'une de ces anomalies n'est peut-être pas si remarquable statistiquement, voir deux ou plus ensemble suggère que nous vivons dans un univers exceptionnel, " a déclaré Donghui Jeong, professeur agrégé d'astronomie et d'astrophysique à Penn State et auteur de l'article. "Une étude récente dans la revue Nature Astronomy a proposé une explication pour l'une de ces anomalies qui a soulevé tant de préoccupations supplémentaires, ils ont signalé une "crise possible de la cosmologie". En utilisant la cosmologie à boucle quantique, cependant, nous avons résolu naturellement deux de ces anomalies, éviter cette crise potentielle."

La recherche au cours des trois dernières décennies a considérablement amélioré notre compréhension de l'univers primitif, y compris comment les inhomogénéités dans le CMB ont été produites en premier lieu. Ces inhomogénéités sont le résultat d'inévitables fluctuations quantiques dans l'univers primitif. Au cours d'une phase d'expansion très accélérée à des époques très précoces - appelée inflation - ces facteurs primordiaux, de minuscules fluctuations ont été étirées sous l'influence de la gravité et ont semé les inhomogénéités observées dans le CMB.

"Pour comprendre comment les graines primordiales sont apparues, nous avons besoin de regarder de plus près l'univers primitif, où la théorie de la relativité générale d'Einstein s'effondre, " a déclaré Abhay Ashtekar, Evan Pugh professeur de physique, titulaire de la Chaire Famille Eberly en Physique, et directeur du Penn State Institute for Gravitation and the Cosmos. "Le paradigme inflationniste standard basé sur la relativité générale traite l'espace-temps comme un continuum lisse. Considérez une chemise qui apparaît comme une surface bidimensionnelle, mais en y regardant de plus près, vous pouvez voir qu'il est tissé par des fils unidimensionnels densément emballés. De cette façon, le tissu de l'espace-temps est en réalité tissé de fils quantiques. En comptabilisant ces fils, La cosmologie quantique en boucle nous permet d'aller au-delà du continuum décrit par la relativité générale où la physique d'Einstein s'effondre, par exemple au-delà du Big Bang."

L'enquête précédente des chercheurs sur l'univers primitif a remplacé l'idée d'une singularité du Big Bang, où l'univers est sorti de rien, avec le Grand Rebond, où l'univers en expansion actuel a émergé d'une masse super-comprimée qui a été créée lorsque l'univers s'est contracté dans sa phase précédente. Ils ont découvert que toutes les structures à grande échelle de l'univers représentées par la relativité générale sont également expliquées par l'inflation après ce Big Bounce en utilisant des équations de cosmologie quantique en boucle.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont déterminé que l'inflation sous la cosmologie quantique en boucle résout également deux des principales anomalies qui apparaissent sous la relativité générale.

"Les fluctuations primordiales dont nous parlons se produisent à l'échelle incroyablement petite de Planck, " dit Brajesh Gupt, chercheur postdoctoral à Penn State au moment de la recherche et actuellement au Texas Advanced Computing Center de l'Université du Texas à Austin. "Une longueur de Planck est d'environ 20 ordres de grandeur plus petite que le rayon d'un proton. Mais les corrections de l'inflation à cette échelle incroyablement petite expliquent simultanément deux des anomalies aux plus grandes échelles de l'univers, dans un tango cosmique du tout petit et du très grand."

Les chercheurs ont également produit de nouvelles prédictions sur un paramètre cosmologique fondamental et des ondes gravitationnelles primordiales qui pourraient être testées lors de futures missions satellitaires, y compris LiteBird et Cosmic Origins Explorer, qui continuera d'améliorer notre compréhension de l'univers primitif.