Neil Turok était frustré. Au fil des décennies, les physiciens ont élaboré de nombreux modèles pour expliquer la naissance de l’univers. Il y avait le modèle du big bang. Le big bang plus l’inflation. Des modèles d’univers avec des dimensions supplémentaires et de nouvelles particules et forces. Des multivers. Même le propre modèle d’univers cyclique de Turok, qu’il a maintenant abandonné.

Aucun d’entre eux ne semblait tout à fait correct.

Ils avaient tous besoin d’embellissements comme l’inflation pour les adapter à l’univers que nous voyons autour de nous.

Ces complications semblaient, pour Turok, contraster fortement avec les données recueillies jusqu’à présent. Les microscopes et télescopes géants utilisés pour sonder l’univers à l’échelle subatomique et cosmique n’ont pas encore fourni de signaux de nouvelles particules ou forces. Au lieu de cela, ils pointent vers une description très économique de l’univers et de ses lois fondamentales.

M. Turok s’est demandé si une nouvelle perspective pourrait expliquer la matière noire, la substance qui rassemble les galaxies, et la constante cosmologique (ou « énergie noire ») qui pousse l’univers et l’écarte.

Il fallait peut-être simplement une nouvelle façon de voir les choses.

« Il semble que la nature ait trouvé un moyen plus simple d’être cohérente que ce que les théoriciens avaient anticipé », explique Turok.

Cette idée l’a attiré, ainsi que son collaborateur, Latham Boyle, vers une nouvelle idée : l’univers miroir.

« C’est une approche est née d’un certain sentiment de frustration vis-à-vis des approches précédentes. À mon avis, elles étaient toutes devenues plutôt compliquées et artificielles, y compris mes propres approches  », a déclaré Turok lors d’une récente conférence publique de l’Institut Périmètre intitulée Les secrets de l’univers : se cacher à la vue de tous? « Secrets of the Universe: Hiding in Plain Sight? ». 

Turok a été directeur de l’Institut Périmètre de 2008 à 2018 et occupe aujourd’hui la chaire Higgs de physique théorique à l’Université d’Édimbourg. Il est également titulaire de la chaire de chercheur invité distingué Carlo Fidani Roger Penrose à l’Institut Périmètre, un rôle qui l’amène à revenir régulièrement à l’Institut pour des conférences, des collaborations et des événements publics comme la récente conférence. 

Boyle et Turok ont commencé à développer l’idée d’univers miroir alors qu’ils étaient tous deux membres du corps professoral de l’Institut Périmètre. Boyle a récemment rejoint Turok à l’Université d’Édimbourg tout en poursuivant son association avec l’Institut Périmètre en tant que chercheur invité.

Avec leurs collaborateurs, ils ont coécrit un certain nombre d’articles décrivant leur nouvelle théorie de l’univers, notamment Le big bang comme miroir : une solution au problème de CP fort « The Big Bang as a Mirror: a Solution of the Strong CP Problem » (préimpression), « Une explication minimale des perturbations cosmologiques primordiales « A Minimal Explanation of the Primordial Cosmological Perturbations » (préimpression) et Univers CPT symétrique « CPT-Symmetric Universe », qui a été publié dans Physical Review Letters.

Au cours de sa conférence publique, Turok a montré au public une image de la célèbre fresque, L’École d’Athènes, peinte par l’artiste italien de la Renaissance Raphaël au début des années 1500. Elle représente une congrégation de philosophes, de mathématiciens et de scientifiques de la Grèce antique. On y voit, d’un côté, la figure d’Anaximandre regardant par-dessus l’épaule de Pythagore et griffonnant des notes pendant que Pythagore élabore ses théorèmes mathématiques. Turok pense qu’ils ont trouvé quelque chose.

L’école d’Athènes. https://en.wikipedia.org/wiki/The_School_of_Athens

« L’univers nous dit littéralement ses lois », explique Turok. « Nous devons examiner l’incroyable éventail de données dont nous disposons aujourd’hui, déterminer quelles parties de ces données nous disent quelque chose de fondamental et apprendre à les interpréter correctement. »

L’idée d’un univers miroir est intrinsèquement simple, explique Turok. Elle évoque un univers géométriquement symétrique que l’on peut imaginer ressembler à un sablier sur le côté. À droite, on voit un univers qui s’écoule dans le temps vers l’avant; à gauche, un univers qui s’écoule dans le temps vers l’arrière. Au milieu se trouve la singularité, où la longueur d’onde du rayonnement dans l’univers devient plus petite longueur inimaginablement minuscule de Planck, environ 10 à 20 fois le diamètre d’un proton.

L. Boyle/Institut Périmètre de physique théorique https://physics.aps.org/articles/v11/s147

Mais non, désolé, ce ne serait pas comme l’univers miroir de Star Trek. Personne ne peut se téléporter de l’autre côté pour rencontrer les versions miroir de Kirk et Spock avec des personnalités opposées à celles de leurs homologues.

« Je pense plutôt à une sorte de dispositif mathématique pour faire quelque chose de sensé avec la singularité. Vous avez une image d’un espace-temps étendu et vous lui imposez une symétrie, afin de pouvoir l’inverser », explique Turok.

Dans ce modèle, l’univers respecte un type spécifique de symétrie appelé CPT. CPT signifie charge (C), parité (P) et inversion du temps (T). La symétrie CPT signifie que les interactions entre particules devraient être identiques si vous inversez les charges, regardez leur image miroir et faites remonter les interactions dans le temps. En appliquant la symétrie CPT à l’univers entier, centré sur la singularité, Turok pense qu’un certain nombre de problèmes cosmologiques se résolvent d’eux-mêmes, y compris la nature de la matière noire.

La matière noire est le nom donné à cette chose fantomatique qui doit exister en grande abondance pour produire l’attraction gravitationnelle supplémentaire qui semble maintenir ensemble les galaxies et les amas de galaxies. Pourtant, elle n’interagit pas avec la lumière ou la matière ordinaire. Les effets ne peuvent être observés que dans les interactions gravitationnelles.

Quelle en est la cause? Turok pense que l’approche de l’univers miroir rend viable la solution la plus simple à ce jour, dans laquelle la matière noire est constituée de neutrinos lourds droitiers, tels qu’il en faut, de toute façon, pour expliquer les petites masses des neutrinos légers observés dans les expériences.

Nous connaissons trois types de neutrinos : le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tauique. Mais ils sont tous « gauchers », et ils sont trop légers, leurs masses trop petites, pour être de la matière noire. Cependant, d’autres types de particules existent en versions pour les gauchers et droitiers : ils «tournent » dans les deux sens. Les neutrinos légers gauchers pourraient-ils avoir des partenaires lourds droitiers? Le modèle de l’univers miroir dit oui.

Turok dit que les neutrinos lourds droitiers seraient naturellement générés en grande quantité si l’on partait d’un modèle d’univers miroir qui respecte la symétrie CPT. Deux d’entre eux expliqueraient les différences de masse déjà observées dans les neutrinos légers. Le troisième pourrait être stable et constituerait naturellement la matière noire.

Cette théorie sera testable dans un avenir proche, dit Turok, grâce aux relevés de galaxies actuellement effectués par le satellite Euclid et le  the Large Synoptic Survey Telescope (LSST) désormais connu sous le nom d’observatoire Vera C. Rubin. Si ces tests s’avèrent concluants, « cela devient de loin la théorie la plus convaincante de la matière noire, à mon avis », dit Turok.

L’univers miroir, avec des neutrinos lourds et droitiers, résout également un autre problème de la théorie du big bang, à savoir, comment existons-nous? Selon la théorie du big bang et avec seulement des neutrinos gauchers, presque la même quantité de matière que d’antimatière aurait dû être présente au début de l’univers. Lorsque la matière et l’antimatière entrent en collision, elles s’annihilent mutuellement. La question est donc la suivante : pourquoi notre univers est-il rempli de matière? Où est passée l’antimatière?

Si vous employez un univers miroir qui va dans la direction opposée, vous obtenez une solution simple à la question de savoir où est passée la majeure partie de l’antimatière, dans l’univers partenaire qui va dans la direction opposée au nôtre.

De plus, l’idée de l’univers miroir résout ces problèmes sans inflation.

L’inflation décrit un univers qui s’est soudainement gonflé à la naissance, passant d’une taille plus petite qu’une molécule d’ADN à une taille de plusieurs milliards de kilomètres, en une fraction d’instant.

Cela semble fantastique, mais l’inflation a été largement acceptée parce qu’elle offrait une solution à certains des problèmes de la théorie originale du big bang. L’un des problèmes était que l’univers que nous voyons aujourd’hui a une température presque uniforme dans le ciel. Mais comment cela serait-il possible si l’univers n’avait pas commencé à un point et ne s’était pas gonflé rapidement?

L’inflation prétend également résoudre le « problème de la planéité », à savoir pourquoi l’espace n’est pas courbé aux plus grandes échelles que nous observons. La forme et l’histoire de l’univers dépendent de cette courbure. Si la densité est supérieure à une certaine valeur critique, l’univers serait courbé positivement comme une sphère et s’effondrerait à nouveau. Si elle est inférieure à la valeur critique, en revanche, il serait courbé négativement comme une selle. Il s’étendrait alors beaucoup plus rapidement et se viderait de matière.

Heureusement, nous vivons dans l’histoire de « Boucle d’or et les trois ours ». La densité de notre univers est « juste ce qu’il faut » et l’espace est presque plat. L’inflation explique cela parce que si vous commencez avec une petite région dense et qu’elle gonfle soudainement, l’espace deviendra presque plat, même s’il était incurvé au départ.

Boyle et Turok ont découvert que l’univers miroir fournit une solution complètement différente au problème de la planéité.

Stephen Hawking, le premier titulaire de la chaire de chercheur invité distingué à l’Institut Périmètre, a développé la notion d’« entropie gravitationnelle » dans le contexte des trous noirs. L’entropie décrit le nombre de façons dont un système peut être agencé, tout en possédant les mêmes propriétés générales. Par exemple, l’entropie d’un trou noir vous indique de combien de façons il aurait pu être créé, compte tenu de sa masse, de sa rotation et de sa charge.

Boyle et Turok ont découvert que leur nouvelle approche leur permettait d’étendre la méthode de Hawking et de calculer l’entropie gravitationnelle du cosmos, compte tenu de ses propriétés générales, notamment la courbure de l’espace, la constante cosmologique, la masse totale et l’entropie totale du rayonnement.

À leur grande surprise, ils ont découvert que l’entropie gravitationnelle est maximale pour les univers qui sont spatialement plats, avec un rayonnement et une matière presque uniformes. Par conséquent, un processus de lissage et d’aplatissement comme l’inflation n’est plus nécessaire : les propriétés générales de l’univers sont telles qu’elles sont simplement parce qu’il y a beaucoup plus d’univers lisses et plats que d’univers courbes et bosselés. De plus, ils ont découvert que l’entropie gravitationnelle favorise une petite constante cosmologique positive, tout comme nous l’observons. À cet égard, l’explication de l’univers miroir est plus efficace que l’inflation.

En tout cas, dit Turok, les arguments en faveur de l’inflation s’affaiblissent de plus en plus. Le signal irréfutable de l’inflation – les ondes gravitationnelles de grande longueur d’onde – n’a pas été observé. « Les images les plus simples de l’inflation sont soumises à une pression croissante des observations », a-t-il expliqué dans une récente interview. Mais l’approche de l’univers miroir peut résoudre les mêmes problèmes sans avoir recours à l’inflation, ajoute-t-il.

En tant que scientifique prudent, Turok prévient que ce modèle d’univers miroir pourrait se révéler erroné. « Je dois vous avertir à l’avance qu’il se pourrait que ces idées s’effondrent demain. Quelqu’un ici [à l’Institut Périmètre] pourrait signaler une faille grave, et toute la théorie tomberait à plat. » Si cela se produit, qu’il en soit ainsi, ajoute-t-il : « Les bonnes théories scientifiques sont testables, soit par un argument logique, soit par des mesures. »