Chaque année, pendant six mois, les plaines de la calotte glaciaire sud, toujours sombres et balayées par les vents, ont une température moyenne d’environ 58 degrés Fahrenheit inférieure à zéro. En été, lorsque le soleil revient pour sa journée longue de six mois, le terrain glaciaire ne devient guère plus attrayant, avec des températures atteignant moins 20 degrés. Ce n'est pas le genre d'endroit que la plupart d'entre nous choisirions de visiter.
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Mais si vous êtes un astronome à la recherche d'une collection de photons qui affluent vers nous juste après le Big Bang, le Laboratoire du secteur noir du pôle Sud est ce que le Met est l'opéra ou le stade Yankee au baseball. C'est le premier endroit pour pratiquer votre métier. Avec l’air le plus froid et le plus sec au monde, l’atmosphère laisse les photons se déplacer pratiquement sans entrave, fournissant ainsi les images spatiales terrestres les plus nettes jamais prises.
Pendant trois ans, une équipe d'astronomes dirigée par John Kovac, chercheur au Harvard-Smithsonian, a bravé les éléments pour diriger un télescope musclé connu sous le nom de Bicep2 (acronyme de l'imagerie de fond moins euphonique de la polarisation extragalactique cosmique) sur une tache du ciel sud. En mars, l'équipe a publié ses résultats. Si les conclusions sont valables, elles ouvriront une nouvelle fenêtre spectaculaire sur les premiers moments de l'univers et figureront à juste titre parmi les découvertes cosmologiques les plus importantes du siècle dernier.
C'est une histoire dont les racines remontent aux premières histoires de création destinées à satisfaire l'envie primordiale de saisir nos origines. Mais je reviendrai plus tard sur le récit - avec la découverte par Albert Einstein de la théorie générale de la relativité, des fondements mathématiques de l'espace, du temps et de toute la pensée cosmologique moderne.
Le plan focal du télescope Bicep2, présenté au microscope, a été mis au point par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA. (Anthony Turner / JPL) 
Les ondes gravitationnelles étirées par l’inflation génèrent un motif faible mais distinctif, appelé signal en mode B, capturé par le Bicep2. (BICEP2) 
Lors de l’inflation (indiquée à gauche), une force gravitationnelle poussée vers l’extérieur étire l’univers en une fraction de seconde. (WMAP) Le télescope Bicep2, présenté au crépuscule, a permis de détecter pour la première fois un modèle d’ondes gravitationnelles prédit, a annoncé son équipe. (Steffen Richter / Harvard University) Espace déformé au Big Bang
Au début du XXe siècle, Einstein a réécrit les règles de l'espace et du temps avec sa théorie de la relativité. Jusque-là, la plupart des gens adhéraient à la perspective newtonienne - la perspective intuitive - dans laquelle l’espace et le temps constituaient une arène immuable dans laquelle se déroulaient les événements. Mais comme l'a décrit Einstein, au printemps 1905, une tempête se déchaîna dans son esprit, une pluie torrentielle d'intuition mathématique qui balaya l'arène universelle de Newton. Einstein a argumenté de manière convaincante qu'il n'y a pas de temps universel - les horloges en mouvement se lisent plus lentement - et il n'y a pas d'espace universel - les règles en mouvement sont plus courtes. L'arène absolue et immuable a cédé la place à un espace et à un temps malléables et flexibles.
Après ce succès, Einstein s'est ensuite tourné vers un défi encore plus difficile. Pendant plus de deux siècles, la loi de la gravité universelle de Newton avait fait un travail impressionnant pour prédire le mouvement de tout, des planètes aux comètes. Même dans ce cas, Newton a lui-même formulé un casse-tête: comment la gravité exerce-t-elle son influence? Comment le soleil influence-t-il la Terre à travers quelque 93 millions de kilomètres d’espace essentiellement vide? Newton avait fourni un manuel du propriétaire permettant au mathématicien de calculer les effets de la gravité, mais il était incapable d'ouvrir le capot et de révéler comment la gravité faisait ce qu'elle fait.
À la recherche de la réponse, Einstein s'est engagé dans une odyssée obsolète et exténuante de dix années à travers des mathématiques obscures et des envolées créatives fantaisistes. En 1915, son génie explosa dans les dernières équations de la théorie générale de la relativité, révélant enfin le mécanisme sous-jacent à la force de gravité.
La réponse? L'espace et le temps. Déjà libérés de leurs fondements newtoniens par la relativité restreinte, l'espace et le temps se sont pleinement intégrés à la vie dans la relativité générale. Einstein a montré qu'un sol en bois gondolé peut déplacer un marbre, l'espace et le temps peuvent eux-mêmes se déformer, et inciter des corps terrestres et célestes à suivre les trajectoires longtemps imputées à l'influence de la gravité.
Si abstraite que soit la formulation, la relativité générale a fait des prédictions définitives, dont certaines ont été rapidement confirmées par des observations astronomiques. Cela a incité des penseurs du monde entier, orientés vers les mathématiques, à explorer les implications détaillées de la théorie. C’est le travail d’un prêtre belge, Georges Lemaître, également titulaire d’un doctorat en physique, qui a fait avancer l’histoire que nous suivons. En 1927, Lemaître appliqua les équations de la relativité générale d'Einstein non pas à des objets de l'univers, comme des étoiles et des trous noirs, mais à l'univers tout entier. Le résultat a renversé Lemaître sur ses talons. Les calculs ont montré que l’univers ne pouvait pas être statique: le tissu de l’espace était soit en train de s’étirer, soit en se contractant, ce qui signifiait que l’univers était soit en train de grandir soit de se rétrécir.
Lorsque Lemaître avertit Einstein de ce qu'il avait découvert, Einstein se moqua. Il pensait que Lemaître poussait les calculs trop loin. Einstein était si certain que l'univers, dans son ensemble, était éternel et immuable, non seulement il a rejeté les analyses mathématiques qui attestaient le contraire, mais il a également inséré un modeste amendement dans ses équations pour s'assurer que les calculs tiennent compte de ses préjugés.
Et les préjugés c'était. En 1929, les observations astronomiques d'Edwin Hubble, utilisant le puissant télescope de l'observatoire du mont Wilson, révélèrent que des galaxies lointaines se précipitaient. L'univers est en expansion. Einstein se donna une gifle euphémiste au front, une réprimande pour ne pas croire aux résultats de ses propres équations, et aligna sa pensée - et ses équations - sur les données.
De grands progrès, bien sûr. Mais de nouvelles idées donnent lieu à de nouvelles énigmes.
Comme Lemaître l’a fait remarquer, si l’espace s’agrandit à présent, en concluant par l’enroulement inversé du film cosmique, nous concluons que l’univers observable était toujours plus petit, plus dense et plus chaud dans le temps. La conclusion apparemment inévitable est que l'univers que nous voyons a émergé d'une tache extrêmement petite qui a éclaté, projetant un gonflement de l'espace vers l'extérieur - ce que nous appelons maintenant le Big Bang.
Mais si c'est vrai, qu'est-ce que l'espace envoyé gonfle? Et comment une proposition aussi étrange pourrait-elle être testée?
La théorie inflationniste
Si l'univers émergeait d'un atome primordial chaud et intensément dense, comme l'appelait Lemaître, alors, à mesure que l'espace se gonflait, l'univers aurait dû se refroidir. Les calculs entrepris à l'Université George Washington dans les années 1940, et plus tard à Princeton dans les années 1960, ont montré que la chaleur résiduelle du Big Bang se manifesterait par un bain de photons (particules de lumière) remplissant uniformément l'espace. La température des photons serait maintenant tombée à 2, 7 degrés au-dessus du zéro absolu, plaçant leur longueur d'onde dans la partie hyperfréquence du spectre, ce qui explique pourquoi cette relique possible du Big Bang est appelée le rayonnement de fond cosmique hyperfréquence.
En 1964, deux scientifiques des Bell Labs, Arno Penzias et Robert Wilson, étaient désespérés, frustrés par une grande antenne terrestre conçue pour les communications par satellite. Peu importe où ils ont dirigé l'antenne, ils ont rencontré le cauchemar de l'audiophile: un sifflement incessant en arrière-plan. Pendant des mois, ils ont cherché mais n'ont pas réussi à trouver la source. Ensuite, Penzias et Wilson ont eu vent des calculs cosmologiques en cours à Princeton, suggérant qu'il devrait exister un espace de remplissage de rayonnement de faible niveau. Les chercheurs ont réalisé que le sifflement incessant provenait des photons du Big Bang chatouillant le récepteur de l'antenne. Cette découverte a valu à Penzias et Wilson le prix Nobel en 1978.
L'importance de la théorie du Big Bang a explosé, poussant les scientifiques à la séparer, cherchant des implications inattendues et des faiblesses possibles. Un certain nombre de points importants ont été mis en lumière, mais le plus essentiel était aussi le plus important.
de base.
Le Big Bang est souvent décrit comme la théorie scientifique moderne de la création, la réponse mathématique à la Genèse. Mais cette notion masque une erreur essentielle: la théorie du Big Bang ne nous dit pas comment l'univers a commencé . Il nous dit comment l'univers a évolué, en commençant une fraction de seconde après le début. À mesure que le film cosmique rembobiné approche de la première image, les calculs s'effondrent, fermant l'objectif juste au moment où l'événement de création est sur le point de remplir l'écran. Ainsi, lorsqu'il s'agit d'expliquer le bang lui-même - la poussée primordiale qui a dû plonger l'univers sur la voie de l'expansion - la théorie du Big Bang est muette.
Alan Guth, jeune boursier postdoctoral du département de physique de l'Université de Stanford, aurait à franchir une étape cruciale pour combler cet écart. Guth et son collaborateur Henry Tye de l'Université Cornell essayaient de comprendre comment certaines particules hypothétiques appelées monopoles pourraient être produites dans les tout premiers instants de l'univers. Mais en calculant au plus profond de la nuit du 6 décembre 1979, Guth prit les travaux dans une direction différente. Il s'est rendu compte que non seulement les équations montraient que la relativité générale comblait une lacune essentielle de la gravité newtonienne - fournissant le mécanisme de la gravité - mais elles montraient également que la gravité pouvait se comporter de manière inattendue. Selon Newton (et l'expérience quotidienne), la gravité est une force attractive qui attire un objet vers un autre. Les équations montraient que dans la formulation d'Einstein, la gravité pouvait également être répulsive.
La gravité d'objets familiers, tels que le Soleil, la Terre et la Lune est certainement attrayante. Mais les calculs ont montré qu'une source différente, non pas une masse de matière mais plutôt de l'énergie incorporée dans un champ remplissant uniformément une région, générerait une force gravitationnelle qui se propagerait vers l'extérieur. Et férocement. Une région d'un milliardième de milliardième de milliardième de diamètre, remplie du champ d'énergie approprié, appelé le champ inflaton, serait déchirée par la puissante force de gravité répulsive, potentiellement plus étendue que l'univers observable, en une fraction. d'une seconde.
Et ce serait à juste titre appelé un coup. Un big bang.
La théorie inflationniste de la cosmologie était née des raffinements ultérieurs de la gravitation répulsive initiés par Guth par des scientifiques comprenant Andrei Linde, Paul Steinhardt et Andreas Albrecht. Une proposition crédible pour ce qui a déclenché le gonflement extérieur de l'espace était finalement sur la table des théoriciens. Mais est-ce vrai?
Test d'inflation
À première vue, il pourrait sembler difficile à un fou de chercher la confirmation d'une théorie qui aurait fonctionné pendant une infime fraction de seconde il y a près de 14 milliards d'années. Bien sûr, l’univers est en pleine expansion, donc quelque chose l’a mis en route. Mais est-il même concevable de vérifier qu’il a été déclenché par un puissant mais bref éclair de gravité répulsive?
Il est. Et l'approche utilise encore une fois le rayonnement de fond hyperfréquence.
Pour avoir une idée de comment, imaginez écrire un petit message, trop petit pour que quiconque puisse le lire, à la surface d'un ballon dégonflé. Puis gonflez le ballon. Au fur et à mesure qu'il s'étire, votre message s'étire aussi, devenant visible. De même, si l'espace subissait des étirements inflationnistes dramatiques, de minuscules empreintes physiques déposées lors des tous premiers instants de l'univers seraient étendues dans le ciel, les rendant éventuellement visibles également.
Y a-t-il un processus qui aurait imprimé un petit message dans l'univers primitif? La physique quantique répond par un oui retentissant. Cela découle du principe d'incertitude, avancé par Werner Heisenberg en 1927. Heisenberg a montré que le micro-monde est soumis à des "tremblements quantiques" inévitables qui rendent impossible la spécification simultanée de certaines caractéristiques, telles que la position et la vitesse d'une particule. Le principe d'incertitude montre que, pour les champs qui remplissent l'espace, la force d'un champ est également sujette à une instabilité quantique, ce qui provoque une variation de sa valeur à chaque emplacement.
Des décennies d’expériences sur le micro-royaume ont permis de vérifier que les tremblements quantiques sont réels et omniprésents; ils ne sont pas familiers uniquement parce que les fluctuations sont trop minimes pour être observées directement dans la vie quotidienne. C'est là que l'étirement inflationniste de l'espace prend tout son sens.
Tout comme avec votre message sur le ballon en expansion, si l'univers subissait la formidable expansion proposée par la théorie inflationniste, alors la petite agitation quantique dans le champ inflaton - rappelez-vous, c'est le champ responsable de la gravité répulsive - serait étendue dans le monde à distance. Ainsi, l’énergie du champ serait un peu plus grande à certains endroits et plus petite à d’autres.
A leur tour, ces variations d'énergie auraient un impact sur le rayonnement de fond cosmique à micro-ondes, augmentant légèrement la température à certains endroits et légèrement plus basse à d'autres. Les calculs mathématiques révèlent que les variations de température seraient faibles - environ 1 partie sur 100 000. Mais — et c’est là le facteur clé — les variations de température rempliraient un schéma statistique spécifique dans le ciel.
À partir des années 1990, une série de projets d’observation de plus en plus perfectionnés - télescopes au sol, à ballons et dans l’espace - ont recherché ces variations de température. Et les ont trouvés. En effet, il existe un accord époustouflant entre les prévisions théoriques et les données d’observation.
Et avec cela, vous pourriez penser que l’approche inflationniste a été confirmée. Mais en tant que communauté, les physiciens sont un groupe aussi sceptique que vous ne le rencontrerez jamais. Au fil des ans, certains ont proposé des explications alternatives pour les données, tandis que d'autres ont soulevé divers problèmes techniques liés à l'approche inflationniste elle-même. L'inflation est restée de loin la théorie cosmologique dominante, mais beaucoup ont estimé que le pistolet fumant n'avait pas encore été trouvé.
Jusqu'à maintenant.
Ondulations dans le tissu de l'espace
Tout comme les champs dans l’espace sont soumis à des tremblements quantiques, l’incertitude quantique garantit que l’espace lui-même devrait également être sujet aux tremblements quantiques. Ce qui signifie que l'espace doit onduler comme la surface d'une casserole d'eau bouillante. Ce n'est pas familier pour la même raison qu'un plateau en granit semble lisse même si sa surface est criblée d'imperfections microscopiques - les ondulations se produisent sur des échelles extrêmement petites. Mais, encore une fois, du fait que l'expansion inflationniste étend les caractéristiques quantiques dans le macrorealm, la théorie prédit que les petites ondulations poussent en des ondulations beaucoup plus longues dans le tissu spatial. Comment pourrions-nous détecter ces ondulations, ou ondes gravitationnelles primordiales, comme on les appelle plus proprement? Pour la troisième fois, la relique omniprésente du Big Bang, le rayonnement de fond cosmique à micro-ondes, est l'affaire.
Les calculs montrent que les ondes gravitationnelles imprimeraient un motif de torsion sur le rayonnement de fond, empreinte digitale emblématique de l'expansion inflationniste. (Plus précisément, le rayonnement de fond provient d'oscillations dans le champ électromagnétique; la direction de ces oscillations, appelée polarisation, se tord à la suite d'ondes gravitationnelles.) La détection de tels tourbillons dans le rayonnement de fond a longtemps été vénérée l'étalon-or pour établir la théorie de l'inflation, le pistolet à fumer longtemps recherché.
Le 12 mars, un communiqué de presse promettant une «découverte majeure», publié par le Centre d'astrophysique Harvard-Smithsonian, le contrôle au sol nord-américain de la mission Bicep2, a envoyé des rumeurs à couper le souffle à travers la communauté mondiale de la physique. Peut-être que les tourbillons avaient été trouvés? Lors de la conférence de presse du 17 mars, les rumeurs ont été confirmées. Après plus d'un an d'analyse minutieuse des données, l'équipe Bicep2 a annoncé qu'elle avait réalisé la première détection du modèle d'ondes gravitationnelles prédit.
Des tourbillons subtils dans les données recueillies au pôle Sud témoignent de tremblements quantiques de l'espace, étirés par une expansion inflationniste et se propageant dans l'univers primitif.
Qu'est-ce que tout cela veut dire?
Les arguments en faveur de la théorie inflationniste ont pris de l'ampleur, clôturant un siècle de bouleversement cosmologique. Maintenant, non seulement nous savons que l'univers est en expansion, mais nous avons également une proposition crédible sur ce qui a déclenché cette expansion, mais nous détectons également l'empreinte des processus quantiques qui chatouillaient l'espace au cours de cette première fraction de seconde enflammée.
Mais, étant un de ces physiciens sceptiques, même s'il est également excitable, permettez-moi de conclure sur un contexte pour réfléchir à ces développements.
L’équipe Bicep2 a fait un travail héroïque, mais une confiance totale dans ses résultats devra être confirmée par des équipes indépendantes de chercheurs. Nous n'aurons pas à attendre longtemps. Les concurrents de Bicep2 ont également été à la poursuite des tourbillons de micro-ondes. D'ici un an, peut-être moins, certains de ces groupes peuvent rendre compte de leurs conclusions.
Ce qui est certain, c’est que les missions actuelles et futures fourniront des données de plus en plus précises qui renforceront l’approche inflationniste. N'oubliez pas que l'inflation est un paradigme et non une théorie unique. Les théoriciens ont maintenant mis en pratique l'idée centrale de la gravité-répulsive de plusieurs façons (nombre différent de champs d'inflation, interactions différentes entre ces champs, etc.), chacun produisant généralement des prévisions légèrement différentes. Les données de Bicep2 ont déjà considérablement altéré les modèles viables, et les données à venir poursuivront le processus.
Tout cela s’ajoute à un moment extraordinaire pour la théorie inflationniste. Mais il y a une leçon encore plus grande. Sauf la possibilité improbable qu’avec de meilleures mesures les tourbillons disparaissent, nous avons maintenant une nouvelle fenêtre d’observation sur les processus quantiques dans l’univers primitif. Les données de Bicep2 montrent que ces processus se produisent à des échelles de distance plus de mille milliards de fois inférieures à celles détectées par notre accélérateur de particules le plus puissant, le Large Hadron Collider. Il y a quelques années, avec un groupe de chercheurs, j'ai entrepris l'une des premières tentatives pour calculer comment nos théories de pointe du très petit, comme la théorie des cordes, pourraient être testées à l'aide d'observations du rayonnement de fond hyperfréquence. Maintenant, avec ce saut sans précédent dans le micro-royaume, je peux imaginer que des études plus raffinées de ce type pourraient bien annoncer la prochaine étape de notre compréhension de la gravité, de la mécanique quantique et de nos origines cosmiques.
L'inflation et le multivers
Enfin, permettez-moi de parler d'un problème que j'ai jusqu'ici soigneusement évité, un problème aussi merveilleux que spéculatif. Un sous-produit possible de la théorie inflationniste est que notre univers peut ne pas être le seul univers.
Dans de nombreux modèles inflationnistes, le champ d'inflation est si efficace que même après avoir alimenté la poussée répugnante de notre Big Bang, le champ est prêt à alimenter un autre big bang et un autre encore. Chaque coup donne son propre domaine en expansion, notre univers étant relégué à un autre. En fait, dans ces modèles, le processus inflationniste s'avère généralement interminable, il est éternel et génère ainsi un nombre illimité d'univers peuplant un grand multivers cosmique.
Avec les preuves du paradigme inflationniste accumulé, il est tentant de conclure que la confiance dans le multivers devrait également croître. Bien que je comprenne cette perspective, la situation est loin d’être claire. Les fluctuations quantiques génèrent non seulement des variations au sein d'un univers donné (les variations de fond hyperfréquence dont nous avons discuté, par exemple), mais entraînent également des variations entre les univers eux-mêmes. Et ces variations peuvent être significatives. Dans certaines incarnations de la théorie, les autres univers peuvent différer même par le type de particules qu’ils contiennent et par les forces à l’œuvre.
Dans cette perspective extrêmement élargie de la réalité, le défi consiste à articuler ce que la théorie inflationniste prédit réellement. Comment expliquons-nous ce que nous voyons ici, dans cet univers? Devons-nous penser que notre forme de vie ne pourrait pas exister dans les différents environnements de la plupart des autres univers, et c’est pourquoi nous nous retrouvons ici, une approche controversée qui frappe certains scientifiques comme une échappatoire? Le problème réside donc dans le fait qu’avec la version éternelle de l’inflation générant autant d’univers, chacun avec des caractéristiques distinctes, la théorie a le pouvoir de saper notre raison même de faire confiance à l’inflation elle-même.
Les physiciens continuent de lutter contre ces lacunes. Beaucoup sont convaincus qu'il ne s'agit que de simples problèmes techniques d'inflation qui seront résolus dans le temps. J'ai tendance à être d'accord. L'ensemble des explications sur l'inflation est tellement remarquable et ses prévisions les plus naturelles sont si spectaculairement alignées sur l'observation que tout cela semble presque trop beau pour se tromper. Mais jusqu'à ce que les subtilités soulevées par le multivers soient résolues, il est sage de réserver le jugement final.
Si l'inflation est juste, les visionnaires qui ont développé la théorie et les pionniers qui ont confirmé ses prédictions méritent bien le prix Nobel. Pourtant, l'histoire serait encore plus grande. Les réalisations de cette ampleur transcendent l'individu. Ce serait un moment pour nous tous d'être fiers et émerveillés que notre créativité et nos idées collectives aient révélé certains des secrets les plus profonds de l'univers.
