Des fluctuations se produisent au début de l'expansion de l'univers (inflation) et entraînent des fluctuations de densité dans l'univers, comme les variations de température observées dans le fond diffus cosmologique montré ici. Une signature de la non-gaussainité primordiale est que la variation de température en trois points ou plus du ciel serait liée (corrélée). La forme précise d'une telle corrélation pourrait distinguer l'origine classique ou quantique de la fluctuation au cours de l'inflation. Crédit :Porto &Green.
De nombreux cosmologistes pensent que la structure de l'univers est le résultat de fluctuations quantiques qui se sont produites au début de l'expansion. Confirmant cette hypothèse, cependant, s'est avéré très difficile jusqu'à présent, car il est difficile de discerner entre les fluctuations primordiales quantiques et classiques lors de l'analyse des données cosmologiques existantes.
Deux chercheurs de l'Université de Californie et du Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY en Allemagne ont récemment mis au point un test basé sur la notion de non-gaussianité primordiale qui pourrait aider à déterminer l'origine de la structure cosmique. Dans leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , ils soutiennent que la détection de la non-gaussanité primordiale pourrait aider à déterminer si les modèles de l'univers proviennent de fluctuations quantiques ou classiques.
"L'une des plus belles idées de toute la science est que la structure que nous avons observée dans le cosmos résultait de fluctuations quantiques dans le tout premier univers qui ont ensuite été étirées par une expansion rapide et accélérée, " Rafael Porto, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Ce paradigme 'inflationniste' fait beaucoup de prédictions qui ont été corroborées par des données, pourtant la nature quantique de la graine primordiale est extrêmement difficile à démontrer directement."
La principale raison pour laquelle la démonstration de l'origine quantique de la structure de l'univers est si difficile est que l'inflation aurait également pu étirer les perturbations classiques, résultant en une distribution galactique très similaire. Dans leur papier, Porto et son collègue Daniel Green ont introduit l'idée que si les fluctuations quantiques et classiques auraient abouti à des distributions de galaxies similaires, certains modèles particuliers différeraient dans les structures d'origine quantique. L'observation de ces modèles pourrait donc permettre aux chercheurs de tester l'origine de la structure cosmique.
"Une grande partie du formalisme que nous avons utilisé pour étudier les motifs des galaxies dans le ciel est similaire à la façon dont les physiciens des particules étudient les processus de diffusion dans les collisionneurs, " expliqua Porto. " En cosmologie, on parle de 'corrélations, ' alors qu'en physique des particules on parle d'"amplitudes, ' mais il y a beaucoup de points communs entre les deux. En utilisant quelques principes physiques de base et des symétries, nous avons démontré que les mécanismes classiques auraient produit un grand nombre de particules et par conséquent une signature très spécifique dans le motif des galaxies, telles que les « bosses » dans les données du collisionneur. »
Porto et Green ont montré qu'une signature cosmologique ressemblant à la présence de « bosses » dans les données du collisionneur peut indiquer que la structure de l'univers est issue de fluctuations classiques. D'autre part, l'absence de ces « bosses » suggérerait que les fluctuations quantiques du point zéro étaient les principaux agents de la formation de la structure cosmique.
"Les gens ont déjà essayé de trouver une signature pour l'origine quantique de la structure et ont découvert que l'effet est supprimé de 115 ordres de grandeur, c'est un 0.…. 115 fois… 1 effet, " Porto a ajouté. " Nous avons montré que, bien que cela soit difficile à observer en raison de la contamination d'autres sources au cours du processus de formation de la structure, s'il y a un signal primordial, l'effet des perturbations classiques est d'ordre 1. Cela signifie que nous avons obtenu une amélioration de 115 ordres de grandeur par rapport aux propositions précédentes."
Au cours des dernières décennies, les cosmologistes qui étudient l'origine de la structure de l'univers ont principalement recherché la polarisation dite du «mode B» dans le fond diffus cosmologique (CMB), car cette polarisation pourrait être un produit d'effets gravitationnels quantiques primordiaux lors de l'inflation. Plutôt que de rechercher la polarisation du « mode B » comme indicateur des effets gravitationnels quantiques, Porto et Green ont renversé le problème et ont découvert qu'un autre modèle, dite "configuration repliée pour les fonctions de corrélation, " porte le germe des fluctuations classiques.
"Il y a une longue histoire de personnes testant la mécanique quantique en laboratoire en utilisant ce qu'on appelle les inégalités de Bell, " Green a déclaré à Phys.org. " L'idée essentielle est que, si vous avez un système quantique, vous pouvez effectuer certains types de mesures qui exposeront la véritable nature mécanique quantique de l'état. Le défi en cosmologie est que (1) l'univers que nous observons est fondamentalement classique et (2) nous ne pouvons pas effectuer des « expériences, ' car nous ne pouvons pas manipuler l'état de l'univers. La nouveauté de notre travail est que nous avons montré que vous pouvez encore dire qu'il provenait d'un état de mécanique quantique dans un passé lointain, malgré ces gros obstacles."
L'étude récente de Porto et Green introduit une nouvelle méthode pour tester l'hypothèse selon laquelle la structure de l'univers est de nature quantique. Essentiellement, les chercheurs émettent l'hypothèse que si l'on ne peut pas observer une « bosse » dans la configuration dite repliée des fonctions de corrélation non gaussiennes, la structure de l'univers serait issue de fluctuations quantiques nulles, comme en physique classique, le vide est vide.
Le test décisif introduit dans leur article diffère grandement des tests de mécanique quantique proposés précédemment et contourne ainsi bon nombre des problèmes associés à ces tests. Dans leurs futurs travaux, Porto et Green prévoient d'étudier si leur test pourrait également être appliqué à des expériences en laboratoire sur des systèmes quantiques.
« Dan et moi réfléchissons maintenant à la façon dont les idées d'information quantique peuvent mieux cerner la nature de la graine primordiale et, en termes plus pratiques, nous aider également à fournir un algorithme plus rapide pour simuler l'évolution de l'univers, peut-être comme les ordinateurs quantiques le feront un jour, ", a déclaré Porto.
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