Voir avant le Big Bang ?

Peut-on voir avant le Big Bang ?

Je présente ici une idée nouvelle que nous venons de publier dans Physical Review D, ici, pour tenter d’ouvrir une fenêtre sur l’avant Big Bang.

La théorie de la relativité générale est claire : la question de l’avant Big Bang n’a aucun sens. Il n’y a pas d’avant Big Bang. Il n’y a pas de temps « avant » le Big Bang. Quand on remonte dans le passé, ça s’arrête au Big Bang : il s’agit de la singularité primitive.

Néanmoins, la relativité générale n’est sans doute pas la théorie ultime. Elle n’intègre pas les effets quantiques. Or il y a de rares circonstances où tout laisse penser que ces effets quantiques peuvent jouer un grand rôle sur l’espace-temps et le Big Bang est justement l’une d’elles ! Autrement dit : il est fort possible que la réponse claire de la relativité générale en ce qui concerne l’absence d’ « avant Big Bang » soit fausse puisque la théorie ne peut plus être crue au moment du Big Bang.

Pour aller au-delà, il faut des théories de gravitation étendue ou de gravitation quantique. Il n’y a pas à l’heure actuelle de solution consensuelle. Mais il est existe de nombreuses pistes et beaucoup d’entre elles conduisent à un « rebond ». C’est-à-dire à une phase de contraction avant la phase actuelle d’expansion de l’Univers dans laquelle nous nous trouvons. Le Big Bang est alors remplacé par un Big Bounce et il ne constitue plus l’origine à proprement parler.

Avec mes étudiants et amis Flora et Killian, nous avons récemment compris un comportement étrange associé à cette phase de contraction. Il est lié à ce qu’on nomme la « distance de luminosité ». C’est une notion facile à comprendre. L’Univers actuel est en expansion. Si on regarde une galaxie lointaine, on peut se poser légitimement la question de la distance qui la sépare de nous. Mais quelle distance choisir ? En effet l’Univers se sera agrandi entre le moment de l’émission de la lumière par cette galaxie et le moment de la réception de cette lumière sur la Terre. Faut-il donc prendre la distance qui nous sépare de la galaxie au moment de l’émission ou au moment de la réception de la lumière ? Dans un univers qui se dilate, ce n’est pas le même chose ! Du point de vue de l’observation la réponse est « ni l’un ni l’autre ». Il faut prendre la distance de luminosité, c’est-à-dire la distance à laquelle se trouverait cette galaxie dans un univers statique euclidien pour donner le même flux lumineux que celui qui est observé.

Evidemment, plus on regarde une galaxie qui a émis de la lumière il y a longtemps plus la distance de luminosité qui nous sépare d’elle est importante. Elle est plus « loin ». Jusque là tout est simple. Mais nous nous sommes rendu compte que durant la phase de contraction les choses se passent différemment.

Ondes gravitationnelles. Source : NASA.

Dans un univers en rebond la distance de luminosité peut – dans certains cas et je n’entre pas ici dans les détails – à nouveau décroitre si la galaxie a émis de la lumière il y a très longtemps ! Intuitivement c’est un peu comme si la contraction de l’univers sur-compensait la dilution de l’onde. Des événements peuvent alors devenir d’autant plus facile à observer qu’ils se seraient produit il y a … plus longtemps !

Un observateur qui vivrait, par exemple, 100 ans avant le rebond verrait un flash émis par une supernova 1 million d’années auparavant plus intensément qu’un flash émis par une même supernova 1000 ans auparavant. Voila quelque chose de bien étrange.

Nous avons donc montré, en utilisant ce phénomène, qu’il n’était pas impossible d’espérer voir des ondes émises par des objets dans un passé extrêmement reculé avant le Big Bounce si la contraction de l’Univers était assez rapide (par exemple s’il était rempli de matière). Les ondes lumineuses seraient détruites pas la violence du rebond, c’est donc plutôt vers les ondes gravitationnelles qu’il faut se tourner.

Beaucoup de questions restent ici sans réponse mais cela ouvre des perspectives potentiellement intéressantes pour voir en amont du grand rebond.

11 réflexions sur “ Voir avant le Big Bang ? ”

  1. Pré-big bang ? univers à rebond ?

    1) Benoît Rey
    2) « Ciel & espace » février 2011 Stéphane Fay

    1) Benoît Rey
    Deux univers successifs, des trous noirs supermassifs et un physicien mondialement reconnu. Avec un tel casting, le succès était garanti. Surtout si le scénario auquel il participe laisse entrevoir une avancée extraordinaire de la connaissance. De fait, le 16 novembre 2010, l’article de Roger Penrose et Vahe Gurzadyan posté sur Internet fait l’effet d’une bombe. Selon ces deux cher­cheurs, des indices découverts dans la pre­mière lumière de l’Univers — le fond diffus cosmologique, cartographié par le satellite WMAP — mettent en évidence une scène survenue avant le big bang !
    Au cours de cette époque considérée comme inobservable par les physiciens, des trous noirs gigantesques de milliards de fois la masse du Soleil ont fusionné. Ces événe­ments cataclysmiques ont produit de fantastiques débauches d’ondes gravitationnelles, déformant l’espace-temps. Des secousses telles que, malgré le passage par un état ultradense puis une expansion soudaine lors du big bang, l’Univers en a conservé les traces ! Ce sont ces cicatrices que Penrose et Gurzadyan affirment avoir identifiées sous la forme de cercles concentriques dans les données de WMAP.

    Des cercles et des cycles
    Penrose voit dans ce résultat une valida­tion de son modèle de pré-big bang, la Conformal Cyclic Cosmology (CCC). Dans sa théorie, l’Univers vit une succession d’ères appelées éons. L’ère précédente, antérieure au big bang, ressemblait fort à celle que nous connaissons : des galaxies regroupées en amas occupaient l’espace. Et au coeur de ces galaxies trônaient d’imposants trous noirs, des milliards de fois plus massifs que le Soleil. Sous l’effet de la gra­vité, plusieurs d’entre eux ont pu s’attirer, se tourner autour, se frôler, pour enfin fusion­ner dans une ultime valse. La réunion aurait dégagé une énergie colossale sous forme d’ondes gravitationnelles. Ces ondes, au lieu de se propager dans l’espace-temps comme la lumière, le déforment. Elles auraient non seulement envahi le cosmos de l’éon précé­dent, mais aussi laissé des cicatrices dans le nôtre sous forme de petits excès d’énergie dessinant des cercles concentriques dans le fond diffus cosmologique. Le big bang ne serait donc pas le début de toute chose. Et la phase d’inflation qui l’a immédiatement suivi n’aurait jamais eu lieu !
    Trop beau pour être vrai ? C’est bien pos­sible. D’ailleurs, la publication présentant ce scénario aurait-elle bénéficié d’autant d’écho si elle n’avait été mise en ligne par Roger Penrose en personne ? La cré­dibilité du physicien et mathématicien britannique, célèbre notamment pour sa contribution mathématique à la théorie de la relativité, n’est plus à faire.
    Cette publication, d’une portée potentielle­ment considérable ne tarde pas à attirer les critiques. En premier lieu, plusieurs chercheurs doutent de la détection des fameux cercles. Tout simplement parce que les deux auteurs ne fournissent aucune barre d’erreur pour leurs mesures. Or, en science, ce sont ces limites clairement définies qui rendent une détection réelle ou illusoire. Questionné à ce sujet courant décembre, Vahe Gurzadyan traite ces points de « détails tech­niques de l’analyse des données ».
    Or, ces données sont précisément le cœur du problème. Celles-ci ont été accumulées depuis 2001 sous la forme d’une carte de l’ensemble de la sphère céleste par le satellite WMAP. Cette carte montre que le fond diffus cosmologique n’est pas parfaitement homogène, mais parcouru de petits « gru­meaux ». « Selon les régions, on observe des variations de quelques microkelvins autour de la température moyenne de 2,726 °K. Ces fluc­tuations correspondent aux régions plus ou moins denses du plasma primordial », explique Simon Prunet, de l’Institut d’astrophysique de Paris. « J’ai repéré des zones où la diffé­rence de température entre les grumeaux est plus faible qu’ailleurs, note Vahe Gurzadyan.
    Quand j’ai constaté qu’elles prenaient la forme singulière de cercles concentriques, je suis allé les montrer à Roger Penrose. » Pour les deux hommes, c’est la preuve qu’ils attendaient, la première mise en évidence expérimentale de la Conformal Cyclic Cosmology.

    Un accueil sceptique
    « Ma première réaction a été de trouver ça drôle, se souvient pour sa part Ingunn Kathrine Wehus, de l’université d’Oslo. Quelqu’un allait forcément vérifier ces observations, et sûrement les invalider. Mais deux semaines ont passé sans qu’aucun confrère réagisse. À l’inverse, j’ai assisté à un formi­dable emballement médiatique autour de ce papier anecdotique. » En effet, le New York Times, la BBC et bien d’autres publient un article sur le sujet… « J’ai alors décidé de m’atteler personnellement à la tâche », explique la chercheuse.
    Mais elle n’est pas la seule. Au même moment, outre-Atlantique, deux équipes canadiennes entreprennent la même démarche. Chacune de leur côté, elles se mettent en quête des mystérieux cercles dans les données de WMAP. Verdict : ils existent bel et bien ! « Oui, mais ils sont parfaitement expliqués dans le modèle inflationniste actuel » avertit Amir Hajian, de l’université de Toronto. Les trois équipes disposaient en effet des simulations numériques du fond diffus cosmologique du modèle inflationniste. « En gros, ce sont des cartes qui représentent ce à quoi ressemblerait le ciel d’aujourd’hui en supposant que l’infla­tion a bien eu lieu », explique le chercheur. Non seulement ces cartes sont très ressem­blantes au ciel réel, mais elles contiennent une myriade de cercles concentriques d’ho­mogénéité ! Ceux-ci sont une conséquence naturelle des petites fluctuations quantiques apparues à la fin de la période d’inflation. Nul besoin d’un avant-big bang.
    « Dans une carte aussi complexe, on trouve tous les motifs possibles et imaginables sans que cela signifie quoi que ce soit, renchérit James Zibin, de l’université de Colombie britannique. Son équipe a pris cette his­toire avec humour : « Au lieu de cercles, nous avons cherché des « triangles équilatéraux concentriques d’homogénéité ». Et nous en avons trouvé ! »
    Au final, le modèle inflationniste semble résis­ter plutôt bien à une nouvelle attaque. Depuis une dizaine d’années en effet, les théories de pré-big bang comme la CCC se multiplient. Car si l’inflation proposée en 1985 a permis jusqu’ici de résoudre de nombreux mystères cosmologiques, il en reste encore une infinité. Par exemple, on n’a toujours aucune idée de ce qui s’est passé avant le mur de Planck, 10-43 secondes après le big bang… si ce der­nier a bien eu lieu. Peu de gens le remettent en question, mais de « l’origine de toute chose », il se voit progressivement rétrogradé au rang de simple charnière entre deux univers.

    Benoît Rey

    2) « Ciel & espace » février 2011 Stéphane Fay
    La première lumière de l’Univers contiendrait les indices d’un Univers préexistant au big bang. Avec cette annonce étonnante, Penrose et Gurzadyan prennent une longueur d’avance dans la course acharnée que se livrent les cosmologistes pour dépasser l’instant du big bang.
    En cosmologie, comme probablement en toute science, il y a des articles que n’importe quel chercheur rêve d’écrire. Celui de Vahe Gurzadyan et de Roger Penrose, concernant la découverte de « cercles » dans le rayonnement de fond cosmologique, pourrait être l’un d’eux. Selon ses auteurs, ces cercles sont la preuve que l’Univers est cyclique, chaque cycle commençant par un big bang, suivi d’une expansion infinie jusqu’au big bang suivant. Si ce résultat était confirmé, il constituerait à n’en pas douter une révolution cosmologique !
    Le dépassement de cet instant mystérieux que constitue le big bang vient en effet déranger le cadre établi de la cosmolo­gie. Depuis le milieu des années 1960 et la découverte des « preuves » du big bang, l’idée d’un commencement de l’Univers était passée dans les esprits. Mais les choses évoluent. « On voit émerger les théories pré-big bang depuis une dizaine d’années, note Jean-Marc Bonnet-Bidaud, du CEA (Commissariat à l’énergie atomique). C’est un moyen naturel de contourner le problème du « début » qui bloque la physique. Car elle est impuissante à décrire la naissance de quelque chose à partir de rien. En repoussant l’origine à une date indéterminée, le problème n’est pas résolu, mais au moins, en attendant, on peut faire de la physique ». Et c’est cette révo­lution qu’annonce ouvertement l’article de Gurzadyan et Penrose.

    La trace de la première lumière
    Pour apporter des éléments tangibles, autres que théoriques à cette révolution, les scien­tifiques n’ont qu’un moyen : étudier en détail le rayonnement de fond cosmologique, la première lumière à s’être propagée libre­ment à travers l’espace, 380000 ans après le big bang. Aujourd’hui d’une température moyenne de 2,726 kelvins (ou 3 K), il baigne l’espace qui nous entoure et fait l’objet de toutes les convoitises. En témoignent les expériences spatiales à plusieurs centaines de millions de dollars qui se succèdent depuis plus de vingt ans pour l’étudier toujours plus précisément. Car les informa­tions contenues dans les infimes détails de ce rayonnement permettront tôt ou tard de trancher entre plusieurs scénarios théo­riques ne décrivant rien de moins que les origines de l’Univers. Ces théories portent les noms d’inflation, de pré-big bang, de collisions de branes et d’autres encore. Toutes ont de fervents supporters et de féroces détracteurs. Si l’on ajoute à cela une certaine concurrence entre les observations de ce rayonnement par WMAP, satellite de la Nasa lancé en 2001, et celles de Planck, satellite européen lancé en 2009, on comprend que nous vivons une époque scientifiquement excitante au cours de laquelle chacun a envie de dégainer le premier l’article cosmologique du siècle. Reste à savoir si rapidité rime avec justesse. Alors, Gurzadyan et Penrose ont-ils juste ? La température du rayonnement de fond est quasiment la même dans toutes les directions de l’espace, à quelques fluctuations près de l’ordre du cent-millième. Celles-ci trahissent les variations de la densité de matière noire primordiale à partir desquelles se sont formées les premières galaxies. Les deux chercheurs pensent avoir découvert dans les données WMAP des zones annulaires, où ces fluctuations sont moindres. Pour comprendre de quoi il s’agit, imaginons une belle plage de sable fin. Vue de loin, sa couleur paraît uniforme. Si vous vous approchez, vous commencez à voir les grains de sable, et donc des fluctuations de couleur. Si maintenant vous explorez la plage entière, peut-être découvrirez-vous à certains endroits des cercles tracés dans le sable. C’est ce que Gurzadyan et Peni auraient trouvé dans le rayonnement de fond. Ces cercles sont l’une des prédictictions d’une théorie cyclique de l’Univers, défendue depuis longtemps par Penrose.
    Mais quel rapport entre cercles et cyclicité ? Au sein des amas de galaxies, des trous noirs supermassifs peuvent fusionner. Si l’Univers est cyclique, ces fusions se sont donc également produites lors du cycle précédent le nôtre. Chaque fois, elles ont libéré d’énormes quantités d’éner­gie sous forme d’ondes gravitationnelles, qui se sont propagées sphériquement autour des collisions. Dans notre cycle, ces bouffées d’énergie du cycle précédent auraient été transmises à la matière noire primordiale. Leur intensité étant plus importante que les variations de densité de la matière noire, elles auraient ainsi laissé leur empreinte dans le rayonnement de fond sous forme de zones annulaires où les fluctuations de température sont moindres. C’est à nouveau comme sur une plage, quand l’empreinte profonde et sombre laissée par une roue de vélo apparaît bien visible, mais plus uni­forme que les multiples changements de couleur dus aux grains de sable.
    « L’article de Gurzadyan et Penrose est inté­ressant et provocateur, commente George Smoot, professeur à l’université Paris Diderot. Je l’utilise pour expliquer à mes étu­diants la nécessité de penser en dehors du modèle standard afin de tester la robustesse de ce dernier, tout comme la compétition avec la théorie de l’état stationnaire de l’Univers a permis d’établir plus fermement celle du big bang. » Cette comparaison laisse à penser que le chemin sera long pour convaincre la communauté scientifique.
    Pour confirmer leur analyse, Gurzadyan et Penrose ont utilisé également les données du rayonnement de fond fournies par le ballon Boomerang, en 1998, et retrouvent les mêmes cercles. Ces der­niers sont d’ailleurs groupés en familles avec des centres similaires, là encore l’une des conséquences de leur théorie. En effet, au cours de sa vie, un trou noir supermassif dans un amas de galaxies peut subir plu­sieurs fusions et donc émettre plusieurs fois des ondes gravitationnelles, se traduisant par des familles de cercles pareillement centrés.

    Dépasser le big bang
    Malgré toutes ces preuves, nombreux sont ceux qui doutent de ces résultats. « Gurzadyan et Penrose n’ont pas modélisé convenablement le bruit des détecteurs, note ainsi David Spergel, du Princeton Center for Theoretical Science. De plus, les cercles qu’ils ont trouvés sont similaires à ceux observables par chance dans les données de WMAP. » Un avis partagé par George Smoot, qui rappelle cependant que cela ne signifie pas que de tels cercles n’existent pas, mais simplement que l’on en trouve aussi de manière natu­relle dans les fluctuations de température du rayonnement de fond.
    À l’heure où nous écrivons ces lignes, le débat s’anime sur Internet. Trois articles rédigés par différents groupes et allant dans le sens de Spergel ont été postés. Dans un quatrième, Gurzadyan et Penrose pointent des erreurs dans deux de ces textes, tout en faisant remarquer que trouver des familles de cercles avec le même centre ne peut pas être une question de chance. Il sera difficile de trancher. Mais la course pour « voir » au-delà du big bang est engagée. Plus que jamais, les données du satellite Planck sont attendues par les spécialistes. Car, avec leur précision supérieure, elles pourraient enfin permettre cette révolution tant attendue de la cosmologie : le dépassement du big bang.

    Stéphane Fay

    1. La théorie du big bang, est à revoir, l’Univers possède une topologie à savoir une sorte de tore, tournant sur lui même, dommage qu’Albert ne soit plus là, car son imagination était sans limite.

      La découverte des ondes gravitationnels va donner aux astrophysicien, des sources de réflexions, et puis il existe d’autres particules, qui subissent moins le vieillissement ondulatoire, à cause du champ gravifique, ce cher Albert EINSTEIN a vu cela, il y a longtemps. Il existe une anisotropie dans notre univers, chez les autres on ne sait pas encore, mais patience dans l’azur, comme l’a écrit Hubert REEVES.

  2. Les équations de la gravitation quantique à boucles appliquées à la naissance de l’Univers semblent prédire un pré-Big Bang et une absence de singularité initiale. Appliqués à l’intérieur d’un trou noir, de nouveaux calculs conduisent à une conclusion similaire : les trous noirs seraient à l’origine d’autres Univers connectés au nôtre.

    Bonjour à tous jacques.
    L’infini

  3. Bonjour,
    L’ avant Big Bang ressemble à un réseau de spin, formant le symbole de l’infini. Avec une géométrie matière et une géométrie quantique en forme de symbole.
    Réseau de spin du même groupe, dans ça division donnant deux boucles a gravitations, le symbole 8
    Jacques.

  4. Bonjour et merci pour ce texte ! Je suis avec beaucoup d’intérêt les interventions de aurelien barrau. Ses idées me fascinent énormément. Puisque je travaille dans le cadre de ma recherche, je travaille sur la relativité. Et il m’est intéressant d’interroger cette théorie. Je souhaite si vous me permettez un échange avec vous. vandimoise2015@yahoo.com

  5. Franchement, on devrait abandonner l’approche d’Einstein.
    Si on observe son histoire, il croyait à un Univers hypersphère.
    Par conséquent, tout ce qui découle de sa réflexion générale ou plus restreinte provient de cet état d’esprit hypersphérique.
    En revanche, si on constate une hypersphère universelle comme un état quantique A et B diamétralement et inversement opposés dans leurs fonctions, alors il est possible de construire un univers à relation « transitive » dont la mathématique obéit à la notion des ensembles transitifs A,B,C.
    Par conséquent, votre modélisation de l’Univers « rebond » pourra également être configurée comme un univers à conjonction parallèle et auto-complémentaire.

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