Et si la matière noire n’était pas née lors du Big
Bang ?
Car on se pose bien des questions dans les laboratoires
de recherche fondamentale en physique et astronomie. Et on ne manque pas de
chercheurs, mais seulement de trouveurs (pour reprendre le mot de De Gaulle)…
C’est que le rayonnement fossile nous prouve que le Big Bang quelques secondes après son début avait produit un plasma incroyablement chaud de protons, neutrons et photons, sans oublier des électrons et des neutrinos.
Le modèle cosmologique standard repose aussi sur l’hypothèse que ce plasma contenait des particules de matière noire dont la densité surpassait celle de la matière ordinaire. Et on ne sait pas pourquoi, parce que les équations se lient dans tous les sens et qu’elles annoncent une parité extrême qu’on ne retrouve pas dans les observations.
Alors, si ce dernier point n’était pas vrai et que la
matière noire avait été créée lors d’un second Big Bang, mais noir celui-là,
des mois après la fin du Big Bang ordinaire des années 1970 sans matière noire
exotique ?
C’est l’hypothèse de travail que plusieurs équipes de physiciens posent et recherchent à confirmer depuis quelque temps.
Et depuis quelques années, ces astrophysiciens des particules développent cette idée originale d’un Big Bang noir.
Le concept a même été proposé et étudié par la sémillante Katherine Freese (plus connue pour ses travaux sur les étoiles noires que pour ses frasques universitaires) et Martin Winkler (son partenaire de recherche).
Tout le monde sait aujourd’hui que le modèle
cosmologique standard, qui explique l’existence des galaxies et certaines
caractéristiques du rayonnement fossile, repose sur l’existence d’une
composante inconnue de masse dominant celle des noyaux d’atomes bien connus sur
Terre mais à l’échelle des galaxies et des amas de galaxies.
L’élément le plus marquant des images recueillies par nos divers télescopes reste la lueur diffuse et brillante qui traverse le centre de la carte et qui marque le plan central de notre Galaxie, la Voie lactée.
Les rayons gamma y sont principalement produits par la collision de particules énergétiques, accélérées par les ondes de choc des restes de supernova, avec des atomes de gaz, voire avec la lumière interstellaire.
De nombreuses structures ressemblant à des étoiles, situées au-dessus et au-dessous du plan de la Voie lactée, sont des galaxies lointaines alimentées par des trous noirs supermassifs.
Et la plupart des sources brillantes le long de ce plan sont des pulsars.
Or, de toutes ces images, un indice historique a émergé au centre de la Voie lactée, et s’il est confirmé, tout bascule !
Cette composante inconnue serait constituée de
particules de matière ne pouvant pas ou très peu émettre de lumière et que l’on
appelle pour cette raison des particules de matière noire.
Elles seraient sensibles à la gravitation, mais pas aux forces nucléaires et peut-être à de nouvelles forces encore inconnues entre ces mêmes particules de matière noire.
On estime assez justement que depuis son origine, il y
a 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Mais contrairement à
ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose
est loin d’être statique.
Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution.
Or, il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui.
Ainsi, le modèle cosmologique standard suppose que la
matière noire existait déjà pendant la première seconde du Big Bang, et le
scénario le plus favorisé actuellement au-delà du modèle standard fait
intervenir une phase dite « d’inflation » causée par un nouveau
champ, probablement cousin du boson de Brout-Englert-Higgs et appelé « inflaton ».
Dans ce scénario-là, le cosmos observable aurait subi une phase exponentiellement accélérée et très importante bien que transitoire de l’expansion de l’espace au tout début du Big Bang.
Pour vous donner une idée, si on estime que l’Univers, qui n’a que 13,8 millions d’années, a une taille de l’ordre de 90 à 100 millions d’année-lumière, il est bien évident que « l’inflation » obéit à une physique qui dépasse la nôtre, limitée par la vitesse de la lumière elle-même !
D’autant que « l’inflation » n’aura duré que très peu de temps, au plus jusqu’à ce que la lumière jaillisse elle-même, environ 300.000 ans plus tard que l’instant zéro, moment ou l’univers aura perdu son opacité native (question de température qui d’ailleurs permet de justifier de celle du fonds diffus, le rayonnement fossile !)
À la fin de cette phase, même si l’Univers observable
était rempli de particules juste avant, l’effet de dilution de l’expansion l’aurait
laissé quasi vide et froid. Un processus dit de réchauffement se serait ensuite
produit selon les théories inflationnaires proposées, remplissant à nouveau le
cosmos de particules, en l’occurrence un bain de quarks, de leptons, de
photons, de gluons et de bosons W et Z ainsi bien sûr que de leurs
antiparticules et des particules de matière noire.
Mais, selon le nouveau scénario proposé par nos « trouveurs »
du moment, Katherine Freese et Martin Winkler, les particules de matière noire
auraient été produites bien plus tard (des mois après la nucléosynthèse
primordiale des trois premières minutes de l’Univers selon le titre du célèbre
ouvrage de Steven
Weinberg) bien qu’elles dominent depuis, en masse, les autres
particules et sans produire de photons ordinaires comme celui que l’on trouve
dans le rayonnement fossile (mais peut-être un rayonnement de « photons noirs » n’interagissant pas avec la matière
normale).
Il aurait donc eu un second Big Bang, un Big Bang noir…
Pas commode à expliquer ni même à démontrer.
Mais ça reste intéressant…
Car dans le cadre des modèles unifiés des interactions
en théorie quantique des champs, on est conduit à introduire plusieurs champs
de Brout-Englert-Higgs pour donner une masse aux bosons des théories de jauge.
Souvent, à très haute température, l’intensité d’un champ de Higgs dans le vide, notée Φ, qui est nulle, même s’il existe une densité d’énergie dans le vide V(Φ) qui, à ce moment-là, n’est pas nulle.
Lorsque la température décroît dans l’univers primitif, le champ Φ se met à croître et au-delà d’une certaine valeur et cette densité s’annule.
On calcule que le phénomène s’accompagne de la formation de bulles de vrai vide (bubble nucleation).
Or, dans le cadre de la théorie de l’inflation, avec un équivalent du champ de Higgs, V(Φ) avait au début de l’histoire de l’Univers une valeur non nulle très importante entraînant une expansion très rapide de l’espace.
L’Univers était alors dans un état de faux vide (False Vacuum). Le champ Φ pouvait être nul à ce moment-là, puis avoir évolué rapidement, de sorte que V(Φ) se soit annulé.
Probablement, l'Univers serait alors passé à la fin de l’inflation dans un état de vrai vide (True Vacuum). Mais des variantes existent avec une fonction V(Φ) présentant plusieurs vallées séparées par des collines.
L’Univers pourrait n’avoir fait que transiter entre deux vallées représentant des faux vides, par exemple par effet tunnel quantique (Quantum Tunneling).
Notre propre Univers observable pourrait bien ne pas être encore dans un état d’énergie minimale. Il pourrait alors être instable et son régime d’expansion pourrait varier radicalement. Ce n’est jamais qu’un exemple des théories pouvant rendre compte de l’énergie noire avec un champ scalaire.
Et si l’énergie noire peut varier dans le temps, l’Univers pourrait finir dans un Big Crunch ou un Big Rip.
En attendant, on suppose que ce Big Bang noir
produirait des ondes gravitationnelles similaires à celles que l’on pense avoir
été générées bien après la phase d'inflation, mais avant la première seconde du
Big Bang et par la transition de phase électrofaible associée au boson de
Brout-Englert-Higgs qui a donné des masses aux quarks, leptons et bosons W et Z
du modèle standard de la physique des hautes énergies.
Le vide quantique était peu avant cette transition l’équivalent d’un liquide à l’état gazeux qui va se condenser en gouttes entrant en collision et générant des ondes gravitationnelles.
Selon les « chercheurs », l’équivalent de
cette transition avec un champ scalaire responsable de la création de matière
noire au moment du Big Bang noir aurait produit des ondes gravitationnelles que
des upgrades de la méthode de détection de la collaboration de l’International
Pulsar Timing Array (IPTA) pourraient mettre en évidence dans un avenir proche.
Question de budgets alloués par l’administration de « Trompe-le-clown » qui coupe tout ce qui dépasse et pense inutile…
Toutefois, on me fait savoir que le lecteur un peu
perspicace se sera peut-être posé la question suivante : Le schéma
ci-dessus explique qu’aussi bien au moment de l’inflation que pendant la
transition électrofaible ou celle du Big Bang noir, on a un champ scalaire de
valeur nulle mais avec tout de même paradoxalement une densité d’énergie non
nulle qui le devient, alors que le champ scalaire devient non nul… mais alors, où
est donc passée l’énergie du vide quantique précédente ?
Eh bien qu’il se rassure : Il se trouve que la théorie postule que dans les équations les champs de matière et des forces électrofaibles sont couplées au champ scalaire responsable d’une phase d’inflation, un peu comme le serait une bille au bout d’un ressort dans l’air.
Ainsi, lorsque le champ scalaire transite d’un état de faux vide à un état de vrai vide, il ne s’immobilise pas tout de suite au fond de la « vallée d’énergie » du potentiel du champ scalaire, mais oscille.
Ce faisant, son couplage avec les autres champs est responsable d’un effet de frottement analogue à celui de la bille qui en oscillant perdrait son énergie, à cause de la force de frottement en la donnant à l’air qui s’échaufferait.
C’est exactement le processus analogue qui aurait été
responsable de la création des particules de matière ordinaire et de matière
noire, dans le scénario classique du Big Bang avec inflation ou celui avec un
Big Bang noir, un « Dark Big Bang » en british.
Intéressant, n’est-ce pas ?
Ça méritait d’être signalé dans le cadre de cette rubrique de la « science en marche »…
Elle progresse encore et encore !
Bon début de semaine tout de même à toutes et à tous !
I3
Pour mémoire (n’en déplaise à «
Pal-Poux-tine ») : « LE PRÉSENT BILLET A ENCORE
ÉTÉ RÉDIGÉ PAR UNE PERSONNE « NON RUSSE » ET MIS EN LIGNE PAR UN MÉDIA DE MASSE « NON RUSSE », REMPLISSANT DONC LES FONCTIONS D’UN AGENT « NON RUSSE » !
Post-scriptum : Alexeï Navalny est mort en détention pour ses opinions politiques. Les Russes se condamnent à perpétuité à en supporter toute la honte !
Постскриптум: Алексей Навальный умер в заключении за свои политические взгляды. Россияне обрекают себя на всю жизнь нести весь позор!
Parrainez Renommez la rue de l'ambassade de Russie à Paris en rue Alexeï Navalny (change.org)
C’est que le rayonnement fossile nous prouve que le Big Bang quelques secondes après son début avait produit un plasma incroyablement chaud de protons, neutrons et photons, sans oublier des électrons et des neutrinos.
Le modèle cosmologique standard repose aussi sur l’hypothèse que ce plasma contenait des particules de matière noire dont la densité surpassait celle de la matière ordinaire. Et on ne sait pas pourquoi, parce que les équations se lient dans tous les sens et qu’elles annoncent une parité extrême qu’on ne retrouve pas dans les observations.
C’est l’hypothèse de travail que plusieurs équipes de physiciens posent et recherchent à confirmer depuis quelque temps.
Et depuis quelques années, ces astrophysiciens des particules développent cette idée originale d’un Big Bang noir.
Le concept a même été proposé et étudié par la sémillante Katherine Freese (plus connue pour ses travaux sur les étoiles noires que pour ses frasques universitaires) et Martin Winkler (son partenaire de recherche).
L’élément le plus marquant des images recueillies par nos divers télescopes reste la lueur diffuse et brillante qui traverse le centre de la carte et qui marque le plan central de notre Galaxie, la Voie lactée.
Les rayons gamma y sont principalement produits par la collision de particules énergétiques, accélérées par les ondes de choc des restes de supernova, avec des atomes de gaz, voire avec la lumière interstellaire.
De nombreuses structures ressemblant à des étoiles, situées au-dessus et au-dessous du plan de la Voie lactée, sont des galaxies lointaines alimentées par des trous noirs supermassifs.
Et la plupart des sources brillantes le long de ce plan sont des pulsars.
Or, de toutes ces images, un indice historique a émergé au centre de la Voie lactée, et s’il est confirmé, tout bascule !
Elles seraient sensibles à la gravitation, mais pas aux forces nucléaires et peut-être à de nouvelles forces encore inconnues entre ces mêmes particules de matière noire.
Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution.
Or, il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui.
Dans ce scénario-là, le cosmos observable aurait subi une phase exponentiellement accélérée et très importante bien que transitoire de l’expansion de l’espace au tout début du Big Bang.
Pour vous donner une idée, si on estime que l’Univers, qui n’a que 13,8 millions d’années, a une taille de l’ordre de 90 à 100 millions d’année-lumière, il est bien évident que « l’inflation » obéit à une physique qui dépasse la nôtre, limitée par la vitesse de la lumière elle-même !
D’autant que « l’inflation » n’aura duré que très peu de temps, au plus jusqu’à ce que la lumière jaillisse elle-même, environ 300.000 ans plus tard que l’instant zéro, moment ou l’univers aura perdu son opacité native (question de température qui d’ailleurs permet de justifier de celle du fonds diffus, le rayonnement fossile !)
Il aurait donc eu un second Big Bang, un Big Bang noir…
Pas commode à expliquer ni même à démontrer.
Mais ça reste intéressant…
Souvent, à très haute température, l’intensité d’un champ de Higgs dans le vide, notée Φ, qui est nulle, même s’il existe une densité d’énergie dans le vide V(Φ) qui, à ce moment-là, n’est pas nulle.
Lorsque la température décroît dans l’univers primitif, le champ Φ se met à croître et au-delà d’une certaine valeur et cette densité s’annule.
On calcule que le phénomène s’accompagne de la formation de bulles de vrai vide (bubble nucleation).
Or, dans le cadre de la théorie de l’inflation, avec un équivalent du champ de Higgs, V(Φ) avait au début de l’histoire de l’Univers une valeur non nulle très importante entraînant une expansion très rapide de l’espace.
L’Univers était alors dans un état de faux vide (False Vacuum). Le champ Φ pouvait être nul à ce moment-là, puis avoir évolué rapidement, de sorte que V(Φ) se soit annulé.
Probablement, l'Univers serait alors passé à la fin de l’inflation dans un état de vrai vide (True Vacuum). Mais des variantes existent avec une fonction V(Φ) présentant plusieurs vallées séparées par des collines.
L’Univers pourrait n’avoir fait que transiter entre deux vallées représentant des faux vides, par exemple par effet tunnel quantique (Quantum Tunneling).
Notre propre Univers observable pourrait bien ne pas être encore dans un état d’énergie minimale. Il pourrait alors être instable et son régime d’expansion pourrait varier radicalement. Ce n’est jamais qu’un exemple des théories pouvant rendre compte de l’énergie noire avec un champ scalaire.
Et si l’énergie noire peut varier dans le temps, l’Univers pourrait finir dans un Big Crunch ou un Big Rip.
Le vide quantique était peu avant cette transition l’équivalent d’un liquide à l’état gazeux qui va se condenser en gouttes entrant en collision et générant des ondes gravitationnelles.
Question de budgets alloués par l’administration de « Trompe-le-clown » qui coupe tout ce qui dépasse et pense inutile…
Eh bien qu’il se rassure : Il se trouve que la théorie postule que dans les équations les champs de matière et des forces électrofaibles sont couplées au champ scalaire responsable d’une phase d’inflation, un peu comme le serait une bille au bout d’un ressort dans l’air.
Ainsi, lorsque le champ scalaire transite d’un état de faux vide à un état de vrai vide, il ne s’immobilise pas tout de suite au fond de la « vallée d’énergie » du potentiel du champ scalaire, mais oscille.
Ce faisant, son couplage avec les autres champs est responsable d’un effet de frottement analogue à celui de la bille qui en oscillant perdrait son énergie, à cause de la force de frottement en la donnant à l’air qui s’échaufferait.
Ça méritait d’être signalé dans le cadre de cette rubrique de la « science en marche »…
Elle progresse encore et encore !
ÉTÉ RÉDIGÉ PAR UNE PERSONNE « NON RUSSE » ET MIS EN LIGNE PAR UN MÉDIA DE MASSE « NON RUSSE », REMPLISSANT DONC LES FONCTIONS D’UN AGENT « NON RUSSE » !
Post-scriptum : Alexeï Navalny est mort en détention pour ses opinions politiques. Les Russes se condamnent à perpétuité à en supporter toute la honte !
Постскриптум: Алексей Навальный умер в заключении за свои политические взгляды. Россияне обрекают себя на всю жизнь нести весь позор!
Parrainez Renommez la rue de l'ambassade de Russie à Paris en rue Alexeï Navalny (change.org)
