Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de “Demandez à un astronaute” et “Radio spatiale“et auteur de”Comment mourir dans l’espace. “ Sutter a contribué cet article à Voix d’experts de Space.com : Op-Ed & Insights.
Un nouveau modèle de l’univers très primitif propose que le graviton, le vecteur de force mécanique quantique de la gravité, ait inondé le cosmos de matière noire avant même que la matière normale n’ait eu la chance de commencer.
La proposition pourrait être un moyen de relier deux des plus grands puzzles en suspens de la cosmologie moderne : la nature de matière noire et l’histoire de l’inflation cosmique.
De nombreux cosmologistes pensent que lorsque l’univers était incroyablement jeune (c’est-à-dire âgé de moins d’une fraction de seconde), il a connu une période d’expansion incroyablement rapide connue sous le nom d’inflation. Cette époque inflationniste était essentielle à l’évolution future de l’univers, car cette expansion incroyable a transformé les fluctuations quantiques microscopiques de l’espace-temps en graines qui deviendraient un jour étoiles, galaxies et groupes.
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L’événement réel de l’inflation est plutôt mystérieux. Par exemple, les cosmologistes ne savent pas ce qui a déclenché l’inflation, ce qui l’a alimentée, combien de temps elle a duré ou quand elle s’est arrêtée.) Mais cette image générale est la seule qui puisse expliquer les modèles trouvés dans le fond de micro-ondes cosmique (le motif de lumière rémanente s’est formé lorsque l’univers avait 380 000 ans) et la distribution à grande échelle de la matière dans l’univers. Les statistiques de ces modèles correspondent à ce que nous voyons dans les fluctuations quantiques, ce qui donne aux cosmologistes la confiance dont ils ont besoin pour émettre l’hypothèse qu’il existe un lien.
À la fin de l’inflation, le cosmos était beaucoup plus grand qu’il ne l’était auparavant. Mais c’était aussi beaucoup plus vide, car tous les contenus qui étaient auparavant dans l’univers venaient d’être jetés très loin les uns des autres. Il ne restait plus qu’une chose : tout ce qui avait alimenté l’inflation au départ, mais qui s’est finalement essoufflé. Les cosmologistes appellent cette force motrice la “l’inflation“et ils pensent que c’était un champ quantique qui a imbibé tout l’espace.
Lorsque l’inflation a pris fin, l’inflation s’est décomposée, inondant l’univers de la variété de particules que nous voyons de nos jours. À bien des égards, l’inflation était la « réelle » Big Bang. Si vous imaginez un univers vide soudainement riche d’une explosion de particules, alors c’est ça.
Matière noire silencieuse
Lorsque l’inflation a pris fin, elle a déclenché la création de toutes les particules connues. Donc, vraisemblablement, ce même événement a également fabriqué de la matière noire. Les cosmologistes ne sont pas sûrs de la composition de la matière noire, mais de nombreuses preuves suggèrent qu’il s’agit d’un nouveau type de particule inconnu. Quelle que soit cette particule, elle représente plus de 80 % de toute la matière de l’univers.
Les physiciens ont passé des décennies à chercher des indices d’une interaction directe entre les particules de matière noire et la matière normale, en vain. Si la matière noire est bien une particule, alors elle n’aime vraiment pas parler à la matière normale. Cette non-détection de la matière noire est assez ennuyeuse pour l’histoire de l’inflation, car si la matière noire ne parle pas à la matière normale, alors il n’y a aucune raison pour que l’inflaton crée de la matière noire avec de la matière normale dans l’univers primitif.
Maintenant, une paire de physiciens de l’Institut de physique d’Helsinki a proposé un nouveau mécanisme pour générer beaucoup de matière noire dans l’univers primitif, même si l’inflaton n’aimait pas produire de matière noire. Et ce nouveau mécanisme repose uniquement sur la gravité.
Ce mécanisme, que les physiciens ont décrit dans un article de la base de données de préimpression arXivsuppose que l’inflaton et la matière noire ne se parlent pas, de sorte que la particule de matière noire n’est pas produite de manière normale à la fin de l’inflation.
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Au lieu de cela, les chercheurs ont examiné le comportement de l’inflaton juste avant qu’il ne se décompose. À la fin de l’inflation, juste avant que l’inflaton ne disparaisse et ne donne naissance au zoo de particules de notre univers, l’inflaton clapote autour du cosmos comme une balle qui vient de rouler sur une colline escarpée mais qui ne s’est pas encore stabilisée.
Les cosmologistes appellent cette étape la phase de préchauffage de la décroissance de l’inflaton, et elle peut donner lieu à une physique folle. Par exemple, dans cette brève phase, la gravité elle-même peut jouer un rôle majeur, permettant à l’inflaton de se connecter à la particule de matière noire. Dans ce cas, la gravité prend la forme de son supposé porteur de force mécanique quantique, le graviton. Habituellement, le graviton ne participe pas aux réactions des particules, mais les physiciens ont trouvé un moyen pour qu’il apparaisse dans la phase de préchauffage vers la fin de l’inflation.
La paire a découvert que lorsque le graviton apparaît dans les interactions de particules à cette époque, il pourrait fournir des canaux permettant à l’inflaton de se désintégrer en particules de matière noire. Ces particules de matière noire auraient alors déjà été présentes dans l’univers avant que le reste de la matière normale ne leur emboîte le pas lorsque l’inflation s’est finalement dissipée.
Ce mécanisme ne fonctionne que lorsque l’espace fait quelque chose d’intéressant, comme une expansion rapide pendant l’inflation. Ainsi, lorsque l’inflation a finalement altéré la capacité de création de l’univers, les particules de matière noire se sont estompées.
Les physiciens ont ajusté leur modèle pour créer la bonne quantité de matière noire exigée par les observations du cosmos. Cependant, cela reste un travail théorique. Plus important encore, les physiciens ne savent pas exactement comment la gravité interagit avec les particules. C’est le régime de gravité quantique, une théorie de la gravité forte à petite échelle, qui est le Saint Graal actuel de la physique moderne. Ainsi, pour leur travail, les co-auteurs de l’article ont dû faire de nombreuses hypothèses sur le fonctionnement de la gravité à ces échelles.
Pourtant, l’idée est intéressante car elle fournit un moyen pour l’univers primitif de produire des quantités importantes de matière noire et pour que cette matière noire ne parle (essentiellement) plus jamais à la matière normale.
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