Des scientifiques de l’université de Waterloo ont mis au point une nouvelle approche pour comprendre les origines de l’univers, qui pourrait transformer notre compréhension du Big Bang et des premiers instants de l’histoire cosmique. Leurs travaux suggèrent que l’expansion rapide de l’univers à ses débuts pourrait découler naturellement d’une théorie plus profonde et plus complète de la gravité quantique.
Le Dr Niayesh Afshordi, professeur associé à l’Institut Périmètre « Perimeter Institute (PI) » et professeur de physique et d’astronomie à l’Université de Waterloo, a dirigé l’équipe de recherche qui a exploré une nouvelle méthode permettant de combinet la gravité et la physique quantique, c’est-à-dire les lois qui régissent le comportement des plus petites particules de l’univers. Si la relativité générale a fait ses preuves pendant plus d’un siècle, elle atteint ses limites dans les conditions extrêmes qui régnaient à la naissance de l’univers. Pour résoudre ce problème, l’équipe a eu recours à la gravité quantique quadratique, qui reste mathématiquement cohérente même à des énergies extrêmement élevées, semblables à celles présentes lors du Big Bang.
La plupart des explications actuelles du Big Bang s’appuient sur la théorie de la gravité d’Einstein, ainsi que sur des composants supplémentaires ajoutés manuellement. Cette nouvelle approche offre une vision plus unifiée qui relie les premiers instants de l’univers à la cosmologie éprouvée que les scientifiques observent aujourd’hui.
L’équipe de recherche a découvert que l’expansion rapide des premiers instants du Big Bang peut découler naturellement de cette théorie simple et cohérente de la gravité quantique, sans qu’il soit nécessaire d’y ajouter d’autre éléments. Cette poussée d’expansion initiale, souvent appelée inflation, est un concept central de la cosmologie moderne, car elle explique pourquoi l’univers ressemble à ce qu’il est aujourd’hui.
Leur modèle prédit également une quantité minimale d’ondes gravitationnelles primordiales, de minuscules ondulations de la géométrie de l’espace-temps créées dans les premiers instants après le Big Bang. Ces signaux pourraient être détectables lors d’expériences à venir, offrant une occasion rare de tester des hypothèses sur les origines quantiques de l’univers.
« Ces travaux montrent que la croissance explosive de l’univers à ses débuts peut découler directement d’une théorie plus profonde de la gravité elle-même », explique Afshordi. « Au lieu d’ajouter de nouveaux éléments à la théorie d’Einstein, nous avons découvert que l’expansion rapide émerge naturellement dès lors que la gravité est traitée d’une manière qui reste cohérente à des énergies extrêmement élevées. »
Les chercheurs ont été surpris de constater à quel point leur théorie s’avérait vérifiable.
« Bien que ce modèle traite d’énergies incroyablement élevées, il aboutit à des prédictions claires que les expériences actuelles peuvent effectivement vérifier », poursuit Afshordi. « Ce lien direct entre la gravité quantique et les données réelles est rare et passionnant. »
Le moment choisi pour ces travaux est significatif. La cosmologie entre dans une nouvelle ère de précision, où de nouveaux instruments peuvent mesurer l’univers avec une exactitude sans précédent. Les futurs relevés de galaxies, les expériences sur le fond diffus cosmologique et les détecteurs d’ondes gravitationnelles deviennent suffisamment sensibles pour tester des idées qui relevaient autrefois du domaine purement théorique. Parallèlement, les scientifiques constatent les limites des modèles les plus simples de l’expansion de l’univers primitif, ce qui renforce le besoin de nouvelles approches ancrées dans la physique fondamentale.
L’équipe prévoit d’affiner ses prédictions en vue d’expériences à venir afin d’explorer les liens entre son cadre théorique et la physique des particules, ainsi que d’autres énigmes concernant les débuts de l’univers. Leur objectif à long terme est de renforcer le lien entre la gravité quantique et la cosmologie observationnelle.
L’article, intitule Achèvement Ultraviolet duBig Bangen gravité quadratique, « Ultraviolet completion of the Big Bang in quadratic gravity », est paru dans la revue Physical Review Letters.
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