En tant que théorie, l’inflation concerne la croissance initiale de l’univers, mesurée en millième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde, il y a quatorze milliards d’années et une équipe de scientifique américain estime qu’elle a identifié l’empreinte laissée par cet évènement majeur.
L’indice est codé dans le fond diffus cosmologique, le rayonnement primordial qui continue de se propager à travers l’espace à ce jour.
La carte ci-dessous présente la plus ancienne lumière dans notre univers, comme elle a été détectée avec la plus grande précision par la mission Planck. La lumière antique, appelée le fond diffus cosmologique, a été imprimée sur le ciel quand l’univers avait 370 000 années. Elle montre les minuscules fluctuations de température qui correspondent aux régions aux densités légèrement différentes, représentant les graines de toute la future structure : les étoiles et les galaxies d’aujourd’hui.
Les scientifiques ont découvert et ont mesuré une polarisation spécifique, ou orientation, des micro ondes provoquées par les ondes gravitationnelles, qui sont de minuscules ondulations dans le tissu de l’espace.
Les ondes gravitationnelles, proposées par la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, il y a près de 100 ans, mais jamais prouvée, sont soupçonnés de tirer leur origine dans l’explosion du Big Bang et de s’être alors amplifiés sous l’influence de l’inflation de l’univers.
Selon le physicien Marc Kamionkowski, de l’Université Johns Hopkins, lors d’une conférence de presse ce lundi :
Cette détection est le chainon manquant de la cosmologie. C’est quelque chose que nous pensions présent, mais nous n’en étions pas vraiment sûrs. Elle a été ardemment recherchée depuis près de deux décennies.
Alors que les ondes gravitationnelles exercent une pression sur l’espace lors de leur déplacement, elles laissent une empreinte spécifique dans le fond diffus cosmologique. Comme les ondes lumineuses, les ondes gravitationnelles ont une chiralité (image miroir d’un objet, main droite main gauche, par exemple) qui correspond à des polarisations asymétriques gauche et droite.
“Les ondes gravitationnelles étirent et compressent l’espace-temps, laissant leur marque sous la forme d’un modèle de polarisation”
La station Amundsen–Scott au pôle Sud, qui accueille le BICEP2, est posée sur une couche de glace de l’Antarctique, à plus de 2 800 mètres au-dessus du niveau de la mer, là où l’atmosphère est assez fine. L’air est également très sec, ce qui est un avantage, car la vapeur d’eau bloque les micro-ondes. Et l’Antarctique est aussi pratiquement inhabité, de sorte qu’il n’y a pas d’interférence provenant de téléphones mobiles, de diffusion d’émissions de télévision et le reste de notre attirail électronique.
En utilisant ce “télescope” assez particulier, les scientifiques ont non seulement détecter les ondes gravitationnelles dans le rayonnement fossile de l’univers, mais ils ont également constaté que les signaux révélateurs de polarisation sont beaucoup plus forts que prévu.
Les ondes gravitationnelles de l’inflation génèrent un faible modèle de torsion, mais bien distinct, de la polarisation du fond diffus cosmologique, appelé “boucle” ou modèle “B-mode”. Présenté ci-dessous, le modèle B-mode observé actuellement avec le polarimètre BICEP2, qui est cohérent avec le modèle prédit pour les ondes gravitationnelles primordiales. Les segments de droites noires montrent la résistance et l’orientation de la polarisation à différents endroits sur le ciel. L’ombrage rouge et bleu indique le degré de torsion dans le sens horaire et antihoraire de ce modèle B-mode.
Tout en fournissant la première preuve directe de l’inflation de l’univers, les mesures peuvent être utilisées pour dater le processus et déterminer la quantité d’énergie impliquée.
Selon Kamionkowski :
C’est la preuve irréfutable de l’inflation. Elle fait allusion à l’unification des forces fondamentales à des énergies 10 milliards de fois plus élevées que celles qui sont accessibles au grand collisionneur de hadrons du CERN.
Les modèles informatiques indiquent que l’univers s’est étendu de 100 000 000 000 000 000 000 000 000 (10^26) fois, 0,0000000000000000000000000000000001 seconde après l’explosion du Big Bang , il y a 13,8 milliards années.
Ci-dessous : La partie inférieure de cette illustration montre l’échelle de l’univers en fonction du temps. Des évènements spécifiques sont présentés tels que la formation de l’hydrogène neutre 380 000 années après le Big Bang. Avant cette date, l’interaction constante entre la matière (électrons) et la lumière (photons) a rendu l’univers opaque. Après cette période, les photons, que nous appelons maintenant le fond diffus cosmologique, ont commencé à se répartir librement. Les fluctuations (les différences d’un endroit à l’autre) dans la distribution de la matière ont laissé leur empreinte sur les photons du fond diffus cosmologique. Les ondes de densité apparaissent sous forme de température et de polarisations "E-mode". Les ondes gravitationnelles laissent une signature caractéristique de la polarisation du fond diffus cosmologique : les "B-mode". La densité et les ondes gravitationnelles proviennent de fluctuations quantiques qui ont été amplifiées par l’inflation présente au moment où les photons du fond diffus cosmologique ont été émises.
Les résultats, qui devront encore être vérifiés par la communauté scientifique, ont été publiés dans une série de documents et de données (lien plus bas). Les scientifiques devront déterminer les conséquences de cette découverte et cela prendra sans doute des années.
En résumé :
•Albert Einstein avait prédit les ondes gravitationnelles, il y a près de 100 ans, mais il a aussi calculé qu’elles seraient extrêmement faible, si bien qu’il pensait qu’elles ne seraient jamais détectées. Les conclusions du BICEP2 sont la preuve la plus convaincante, au court d’une détection directe, que les ondes gravitationnelles existent réellement.
•Les ondes sont la confirmation d’une théorie qui est la pierre angulaire de l’image standard de la cosmologie. Cette théorie, appelée l’inflation, indique que pendant les premiers moments de son existence, l’Univers a connu une brève période d’expansion exponentielle.
•Au cours de l’inflation, la température de l’Univers, et donc les énergies atteintes par des particules élémentaires, était des milliards de fois plus élevée que ce qui peut être réalisé dans n’importe quel laboratoire, même dans les accélérateurs de particules comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, près de Genève en Suisse.
•Parce que l’inflation est un phénomène quantique et les ondes gravitationnelles sont une partie de la physique classique, elles établissent un lien entre les deux, et pourraient être la première preuve que la gravité a une nature quantique, tout comme les autres forces de la nature.
Bonus Vidéo
Andrei Linde, professeur au Département de physique de l’Université de Stanford, est l’un des principaux auteurs de la théorie de l’univers inflationniste, que l’univers a connu une brève, mais extrêmement rapide accélération de l’expansion immédiatement après le Big Bang.
Ci-dessous, une vidéo dans laquelle on peut découvrir la réaction de Linde juste après avoir été informé de la découverte des ondes gravitationnelles par Chao-Lin Kuo, également de l’Université de Stanford, le concepteur du détecteur du BICEP2 qui a fait la découverte.