Phénomène du Big Bang : Inflation



Au temps 10^-43 seconde, la gravitation, qui était jusque là unifiée aux trois autres interactions, se dissocie. L'Univers est dans un état de vide quantique. La matière ordinaire n'existe pas, mais il y a une formidable agitation due à la succession de créations et de disparitions de particules et d'antiparticules virtuelles. Si ce n'est cette fantastique agitation, rien de particulier ne se passe jusqu'au temps 10^-35 seconde, lorsque sonne l'heure de la dissociation des interactions forte et électrofaible. C'est à ce moment que va commencer une phase cruciale, l'ère inflationnaire, pendant laquelle la taille de l'Univers va être multipliée par un facteur gigantesque.

Le concept de période inflationnaire est relativement récent. Il fut d'abord imaginé au début des années 1980 par l'Américain Alan Guth, puis développé par d'autres astrophysiciens, en particulier le Russe Andrei Linde. L'inflation reste la partie la plus spéculative de notre description du Big Bang et beaucoup d'efforts restent à faire pour qu'elle soit acceptée unanimement. Cela étant dit, cette nouvelle théorie répond de façon satisfaisante à plusieurs problèmes cosmologiques qui n'avaient pas trouvé de solution jusque là et dont nous parlerons plus loin.

Transition de phase

Pour comprendre ce qui se passe, commençons par une analogie. Le comportement de l'Univers lors de l'inflation rappelle celui de l'eau qui se solidifie et se transforme en glace. Les deux formes, l'eau liquide et la glace, ont des propriétés très différentes. Par exemple, sous forme liquide, l'eau n'a pas de structure et prend la forme du récipient qui la contient. Par contre, sous sa forme solide, elle devient un cristal, un arrangement très régulier de molécules dont la forme globale est fixée. Une autre différence apparaît au niveau des symétries : l'eau liquide à des propriétés identiques dans toutes les directions, alors que la glace privilégie les axes selon lesquels la cristallisation s'est produite.

Dans le langage du physicien, l'eau liquide et la glace sont deux phases différentes et la transformation de l'une en l'autre s'appelle une transition de phase. Dans des conditions de refroidissement normales, la cristallisation se produit dès que la température atteint zéro degré Celsius. Elle se produit alors en douceur avec un lent dégagement d'une certaine quantité d'énergie appelée la chaleur latente. Il existe cependant un cas particulier appelé la surfusion, dans lequel les choses se passent différemment. Ainsi, dans un environnement extrêmement stable, une eau très pure peut être refroidie et atteindre une température négative sans pour autant se solidifier. Cette situation est néanmoins très instable et il suffit d'agiter légèrement l'eau pour que la cristallisation s'opère instantanément, avec cette fois-ci une libération très rapide de la chaleur latente.

L'ère inflationnaire

Le phénomène qui se produit lorsque l'Univers est âgé de 10^-35 seconde est similaire. C'est à cette époque que les forces forte et électrofaible, jusque là unifiées, se dissocient. On passe d'une situation symétrique, où les deux forces étaient équivalentes, à une situation asymétrique, où elles sont distinctes. L'Univers subit donc, comme l'eau qui se solidifie, une transition de phase. Celle-ci devrait en principe s'opérer immédiatement, mais ce n'est pas ce qui se passe. L'Univers va d'abord passer par un stade de surfusion. Il va rester pendant une brève période dans une phase symétrique instable, appelée le faux vide, plutôt que d'adopter tout de suite la phase asymétrique stable, le véritable vide.

Le faux vide, un état équivalent à l'eau surfondue, se caractérise essentiellement par une très grande densité d'énergie. Même si l'Univers est complètement vide, il possède alors en tout point une très grande quantité d'énergie, ce qui va avoir un effet crucial sur son évolution. En effet, d'après la relativité générale, cette énergie omniprésente va se traduire par une force de répulsion extrêmement puissante entre tous les points de l'Univers. En conséquence, celui-ci subit une expansion fantastiquement rapide et brutale, à laquelle on a donné le nom d'inflation.

L'inflation dure jusqu'à ce que l'Univers subisse finalement sa transition de phase. Il atteint alors un état stable, tout en libérant une formidable quantité d'énergie. Cela se produit à une époque qui n'est pas encore bien définie, disons vers 10^-30 seconde. Pendant l'ère inflationnaire, la taille de l'Univers a été multipliée par un facteur 10^50, ce qui est énorme comparé au rythme actuel de l'expansion. Ainsi, depuis l'apparition des atomes, vers l'âge de 300 000 ans, la taille de l'Univers n'a été multipliée que par un facteur 1000, et cela en 15 milliards d'années.

Remarquons encore que même si l'inflation se produit à un rythme prodigieux, elle ne transgresse pas la relativité, qui énonce que rien ne se déplace plus vite que la lumière. En effet, c'est l'espace lui-même qui subit l'inflation. La distance entre deux particules augmente à un rythme effréné, mais du fait de l'expansion de l'espace. Si des particules se déplaçaient réellement dans l'espace, leur vitesse devrait être inférieure à celle de la lumière.



Auteur : Olivier Esslinger

Source : www.astronomes.com/index.html