À la chasse des triangles du Big Bang

Traduction de l’article publié sur Quanta Magazine

Il y a 13,8 milliards d’années, notre univers a surgi d’un grain quantique en se gonflant à 1 million de trillions de trillions de trillions et bien plus encore de fois par rapport à son volume initial en moins d’un billionième d’un trillionième d’un trillionième d’une seconde. Et son expansion a continué de manière plus lente selon les lois de la physique.

Avertissement de  l’auteure: Comme toujours lorsqu’on navigue dans les océans de la physique théorique, il est fortement avisé d’acheter quelques cartons d’aspirine et de réserver quelques heures avant d’entamer le voyage vers le royaume de la théorie des cordes et de son explication du Big Bang.

C’est l’histoire de l’inflation cosmique, la version moderne de la théorie du Big Bang. Cette croissance phénoménale en un temps record contient toutes les données cosmologiques et ce grain initial a atteint des dimensions immenses que ce soit en termes de matière ou direction. L’univers s’étend dans toutes les directions. Mais sur le comment et le pourquoi de cette expansion de l’univers, la théorie de l’inflation nous propose très peu d’explication. Pourquoi une telle croissance ? Est-ce qu’il y avait quelque chose avant ? Et si c’est le cas, qu’est ce que c’est ? Ces questions intriguent les cosmologues depuis que cette théorie a émergé dans les années 1990. Nous avons de fortes preuves que cette inflation intense a bien eu lieu, mais on ignore comment définir cette inflation ou plutôt nous avons des tonnes d’idées, mais qui ne vont nulle part selon Matthew Kleban, cosmologue à l’université de New York.

L’horloge du Big Bang

Pour comprendre l’origine de l’univers, les cosmologues cherchent à identifier les facteurs inconnus de l’inflation qu’on appelle l’inflaton. Souvent décrite comme un champ d’énergie qui est présent dans l’espace et qui provoque son expansion, l’inflaton a fonctionné comme une horloge selon les experts. À chaque tic, il a doublé la taille de l’univers, en gardant un temps parfait, jusqu’à ce qu’il s’arrête. Des théoriciens comme Kleban sont des horlogers cosmiques. Ils tentent de créer des centaines de modèles qui pourraient répliquer l’horloge du Big Bang.

Comme de nombreux horlogers cosmiques, Kleban est un expert de la théorie des cordes. Cette dernière est l’une des meilleures candidates pour la théorie du tout qui tente de décrire toutes les choses à travers la distance, le temps et l’énergie. Les équations connues de la physique ont dû mal quand on les applique à l’environnement minuscule, mais ultradense du Big Bang. Comment expliquer une quantité d’énergie aussi phénoménale dans un espace aussi réduit ? Mais la théorie des cordes prospère dans le Big Bang en postulant pour des dimensions spatiales supplémentaires qui diffusent l’énergie. Des particules de point familières deviennent, à leur niveau le plus élevé d’énergie, des cordes ou des brins à une dimension ou plusieurs dimensions qui traversent un paysage en 10 dimensions. Ces cordelettes cosmiques ont pu alimenter l’horloge du Big Bang.

Dans son bureau, Kleban a dessiné son dernier design de l’inflaton sur son tableau. En premier lieu, il dessine un cylindre qui représente le paysage des cordes. La longueur est représentée par les 3 dimensions de la réalité macroscopique et sa circonférence est affichée par 6 autres dimensions spatiales. Ces 6 dimensions sont au coeur de la théorie des cordes, mais elles sont trop difficiles à détecter. Sur le côté du cylindre, Kleban a dessiné un cercle.

C’est l’horloge de ce chercheur. Une membrane qui se gonfle et qui s’étend de manière naturelle. Quand la partie intérieure en inflation forme un nouvel univers, alors son énergie augmente à chaque tic comme dans une horloge. Le cercle en expansion s’enroule autour de la circonférence du cylindre et se chevauche sur lui-même. Kleban reconnait qu’il est trop tôt pour dire si la théorie tient la route, mais d’autres chercheurs veulent le découvrir.

Découvrir les tics de l’horloge cosmique

On peut trouver la trace du tic de l’inflaton dans la distribution des galaxies, des amas de galaxies et des super amas qui s’étendent à travers le cosmos. Ces structures (et toutes les choses qui sont dedans incluant vous et moi) sont des artefacts des erreurs dans l’horloge selon Matias Zaldarriaga, un cosmologue à l’Institute for Advanced Study (IAS) de Princeton. Le temps est incertain de manière intrinsèque et donc, l’univers s’est développé à différents niveaux sur différentes places à différents moments en produisant des variations de densité. On peut considérer le mouvement dans le temps comme un saut ou mouvement d’énergie qui s’est produit lorsque des paires de particules ont fait surface de manière spontanée sur le champ d’inflation et qu’elles se sont étirées comme deux points sur un ballon qu’on gonflerait.

Ces particules étaient les graines que la gravité a transformées en des structures galactiques au fil du temps. Les paires de structures, qui se sont développées sur de larges distances dans le ciel, proviennent de fluctuations quantiques précoces pendant l’inflation tandis que les structures qui sont plus proches ont été produites plus tard. Cette distribution nichée à travers toutes les dimensions cosmiques vous dit en détail que l’horloge émettait son tic selon Nima Arkani-Hamed, un physicien théoricien à l’IAS. Mais il ne vous dit pas la composition de l’horloge.

Des triangles dans le ciel

Pour faire de l’ingénierie inverse sur l’horloge, les cosmologues cherchent dans de nouvelles données. Leurs calculs indiquent que les galaxies et d’autres structures ne sont pas réparties de manière aléatoire à travers le ciel. Au lieu, ils tendent à s’organiser dans des configurations complexes : Des triangles, des rectangles, des pentagones et d’autres formes. Selon la théorie, ces formes permettent à la fois de remonter jusqu’au saut quantique initial, mais qui permet aussi de comprendre les engrenages de l’horloge.

Mais il faudra des observations beaucoup plus précises pour détecter ces triangles cosmologiques. Ces derniers ont été surnommés comme des Non Gaussiennes pour les différencier de la courbe en cloche gaussienne qui décrit la répartition aléatoire des structures. Nous devons avoir plus d’information et de sensibilité par rapport aux instruments actuels selon Marc Kamionkowski, un cosmologue de l’université de John Hopkins. Pendant ce temps, les théoriciens font des progrès sur les types de formes qu’on doit chercher et comment les trouver. Il y a une renaissance de la compréhension selon Eva Silverstein, une cosmologue cordicienne à l’université de Stanford qui a créé le mécanisme d’enroulement utilisé par Keblan, mais elle a aussi crée ses propres design de l’horloge.

L’étude rigoureuse des non-gaussianités a décollé en 2002 lorsque Juan Maldacena, un théoricien vénéré à l’IAS, a calculé ce qu’on connait comme le plancher gravitationnel. Le plancher gravitationnel est le nombre minimal de triangles et d’autres qui doivent exister dans le ciel à cause de l’effet inévitable de la gravité pendant l’inflation cosmique. Les cosmologues n’arrivaient pas à calculer le plancher gravitationnel depuis plus d’une décennie et c’est une étape importante, car c’est un objectif concret pour les expérimentateurs. Si on atteint le plancher et qu’on ne voit pas de triangles, alors la théorie de l’inflation est fausse.

Quand Maldacena a calculé le plancher gravitationnel, sa détection semblait un objectif très distant. À cette époque, toute la connaissance précise de la naissance de l’univers provenait des observations du fond diffus cosmologique. Ce dernier est la lumière la plus ancienne dans le ciel qui illumine une coupe en 2 dimensions d’un univers enfant lorsqu’il avait 380 000 ans après le Big Bang. En se basant sur les structures naissantes qui apparaissaient dans cet instantané en 2D, il semblait impossible que leur propension puisse être configuré en triangles et d’autres formes. Mais les travaux de Maldacena ont donné les outils pour calculer des formes plus prononcées de la non-gaussianité qui pourraient exister dans le ciel à cause des effets plus forts que la gravité. Et il a incité les scientifiques à inventer de nouveaux moyens pour chercher des signaux.

À la recherche de formes dans la répartition des galaxies

Un an après les calculs de Maldacena, Zaldarriaga et ses collaborateurs ont montré que le fait de mesurer la distribution des galaxies et des groupes de galaxies produit plus de formes que la seule observation du fond diffus cosmologique. C’est la version 3D par rapport à la 2D selon Olivier Doré, cosmologue au Jet Propulsion Laboratory de la Nasa qui travaille dans les grandes structures non gaussiennes. Si vous comptez les triangles en 3D comme avec l’étude des galaxies, alors vous allez trouver bien plus que ce que vous pouvez compter.

Le fait de compter plus de formes dans le ciel va révéler plus de détails concernant le Big Bang et c’est un principe central de la physique quantique qu’on connait comme l’unitarité. L’unitarité stipule que les probabilités de tous les états quantiques de l’univers sont effectif dans le présent, le passé et pour toujours. Et ce fait, l’information, qui est stockée dans des états quantiques, ne peut jamais être perdue, mais seulement perturbé. Cela signifie que toute l’information concernant la naissance du cosmos doit être codée dans son état présent. De ce fait, plus les cosmologues en apprennent sur l’état présent de l’univers et plus, ils ont apprendront sur sa naissance.

L’origine des triangles du Big Bang

Mais comment les détails du Big Bang peuvent-ils être encodés dans des triangles et d’autres formes ? Selon Zaldarriaga, les calculs de Maldacena ont ouvert une voie de compréhension. Dans un univers régi par la mécanique quantique, tous les constituants de la nature sont interconnectés, se mélangeant et s’interagissant les uns avec les autres avec différents niveaux de probabilité. Cela inclut le champ quantique ou celui de l’inflation ou même autre chose qui a existé dans l’univers primitif. Les particules produites de ces champs ont dû se mélanger et s’éparpiller les unes avec les autres comme des boules de billard sur une table.

Ces événements dynamiques seraient mélangés avec le mouvement quantique de ces paires de particules qui auraient surgi dans le champ d’inflation et ils auraient engendré les corrélations en 2 points à travers le ciel. Par exemple, une paire de particules aurait pu surgir dans un certain champ primordial et un membre de cette paire a pu se désintégrer en 2 particules inflaton tandis que l’autre s’est désintégré dans une seule particule inflaton nous menant à la corrélation en 3 points, soit un triangle dans le ciel. Or, 2 particules mystérieuses ont pu se percuter et ont pu se fractionner en 4 particules inflaton produisant une corrélation en 4 points. On a même des événements rares qui auraient pu produire des corrélations de 5 points et plus. Ce principe de l’unitarité promet qu’en comptant plus précisément les formes, les cosmologues pourraient accomplir un comptage plus détaillé de l’univers primordial. C’est de la même manière que lorsque les physiciens du Grand Collisionneur de Hadron affinent leur théorie des particules connues pour chercher des preuves sur de nouvelles particules en collectant les statistiques sur la fusion et le fractionnement des particules.

En suivant les calculs de Maldacena sur le plancher gravitationnel, d’autres chercheurs ont démontré que même des modèles simplifiés de l’inflation généreraient plus de non gaussianités que le strict minimum. Les horlogers comme Silverstein et Kleban sont désormais occupés sur les différents types de triangles que leurs modèles pourraient produire avec des prédictions qui seraient testables dans les prochaines années.

Les faux espoirs de l’expérience BICEP2

Et les progrès se sont accélérés en 2014 quand une petite expérience au pôle Sud semblait être une découverte monumentale sur la naissance de l’univers. L’annonce a stimulé l’intérêt dans les triangles cosmologiques même si la découverte a été une grande déception par la suite. La nouvelle a circulé le 17 mars 2014 qu’on avait trouvé des preuves de l’inflation cosmique et l’université de Princeton a posté une vidéo de célébration sur Youtube. Dans la vidéo, le cosmologue Andrei Linde, l’un des pionniers de la cosmologie inflationnaire et sa femme Renata Kallosh, théoricienne des cordes et de la supergravité, se trouvent sur le pas de leur porte pour accueillir Chao-Lin Kuo, un de leurs collègues de Stanford. L’ensemble est un montage, car un caméraman accompagne Chao-Lin. C’est un sigma de 5,2 selon Kuo dans la vidéo. Une découverte ? demande Kallosh alors qu’elle embrasse Kuo tandis que Linde s’exclame : Quoi !

Les spectateurs de la vidéo vont apprendre que BICEP2, une expérience menée par Kuo, a détecté un pattern de tourbillon dans le fond diffus cosmologique. Ce Pattern a pu être imprimé par les ondes dans l’espace-temps qu’on connait comme les ondes gravitationnelles primordiales. Ces dernières ont pu être uniquement produites par l’inflation cosmique lorsque les particules sont apparues dans le champ gravitationnel et qu’elles se sont étirées et se sont fixées de manière permanente dans la forme de l’univers.

Dans la prochaine scène de la vidéo, Linde sabre le champagne avec sa femme et son invité. Au début des années 1980, Linde, Alexei Starobinsky, Alan Guth et d’autres jeunes cosmologues ont proposé la théorie de l’inflation cosmique comme un correctif pour la théorie du Big Bang de 1930. Cette théorie de 1930 décrivait l’univers comme étant en expansion à partir d’une singularité qui est un point de densité infini. Cette théorie n’expliquait pas la répartition et la déformation de l’univers et l’inflation cosmique était un bon sparadrap. Et l’expérience de BICEP2 a suggéré que l’inflation cosmique a été prouvée. À cette époque, Linde avait déclaré que si c’est vrai, alors nous avons atteint un moment de compréhension sans précédent. Espérons juste que ce n’est pas une erreur.

Pour de nombreux chercheurs, la chose la plus excitante concernant cette prétendue découverte était la forme du signal de tourbillon mesuré par r = 0,2. Cette mesure indiquait que l’inflation s’est produite à des niveaux d’énergie très élevée et dans l’échelle du temps, cela pouvait suggérer que la gravité et les effets des cordes et des brins aient été particulièrement intenses. S’il y a plus d’énergie, alors il y a plus de croisement entre l’inflaton et ces autres ingrédients primordiaux. Le résultat est qu’on aurait vu des triangles et d’autres Non gaussianités plus prononcés dans le ciel.

Après BICEP, nous avons arrêté tout ce que nous faisons et nous nous sommes concentrés sur l’inflation selon Arkani-Hamed. L’inflation est comme un gigantesque accélérateur de particules à des quantités d’énergie plus élevée que sur Terre. La question est de comprendre le fonctionnement de l’accélérateur et s’il y avait des choses exotiques dedans et comment faire pour les détecter ? On a lancé les enquêtes et on a refait les analyses du BICEP2. Il est devenu clair que la découverte était un tour de la nature. Le télescope au pôle Sud avait détecté la lueur d’une poussière en tourbillon plutôt que les ondes gravitationnelles primordiales. Un mélange d’angoisse et de colère a secoué toute la communauté des inflationnistes. 2 ans plus tard, on n’a pas toujours détecté les ondes gravitationnelles primordiales. En janvier 2016, le successeur de BICEP2, le BICEP2/Keck Array, a rapporté que la valeur de r ne peut pas être supérieure à 0,07. Cela diminue le niveau d’énergie de l’inflation et donc, cela baisse aussi les probabilités de voir des cordes ou des choses plus exotiques.

Un regain d’intérêt pour la non-gaussianité

Malgré l’échec de l’expérience, de nombreux chercheurs connaissent désormais le potentiel en or des informations contenues dans les triangles et autres non gaussianités. Il est devenu clair que ces fossiles de l’inflation méritaient qu’on s’y intéresse même si on doit creuser plus profondément. La valeur r est plus basse selon Maldacena. Mais ce n’est pas grave, car une énergie élevée est toujours possible.

Dans un papier en printemps dernier et en se basant sur les travaux d’autres chercheurs, Maldacena et Arkani-Hamed ont utilisé les arguments de la symétrie pour montrer une facette fondamentale de la théorie des cordes qui pourrait se manifester dans les triangles. La théorie des cordes prédit une tour infinie d’états avec des spins élevés. En termes clairs, ce sont des cordes qui vibrent dans une séquence d’intensités infinies. Jusqu’à présent, on n’a découvert aucune particule avec un spin supérieur à 2. Maldacena et Arkani-Hamed ont montré que l’existence d’un état à spin élevé résulterait en des pics et des creux dans la force du signal produit par les triangles dans le ciel lorsqu’ils deviennent plus élongés. Et c’est excitant pour les cordiciens. Vous ne pouvez pas construire une théorie d’interaction d’une telle particule sauf si vous avez une tour infinie telle que celle de la théorie des cordes selon Daniel Baumann, cosmologue théoricien à l’université d’Amsterdam. Le fait de trouver le pattern oscillatoire dans les triangles dans le ciel confirmera l’existence de cette tour. Si on découvrait une seule particule avec un spin supérieur à 2, alors cela indiquerait la présence de la théorie des cordes.

D’autres chercheurs poursuivent des prédictions générales similaires. En février 2016, Kamionkowski et ses collaborateurs rapportaient des informations détaillées sur les particules primordiales qui sont encodées dans la géométrie des corrélations à 4 points. Ces dernières peuvent se situer à plat ou en courbe dans la 3e dimension. En observant les signaux prédits par Arkani-Hamed, Maldacena et Kamionkowski pourraient toucher le filon, mais le jackpot est bien enterré. La force du signal doit être proche du plancher gravitationnel et sa détection nécessiterait des instruments d’une sensibilité 1 000 fois supérieure à ceux qu’on a aujourd’hui. D’autres chercheurs préfèrent s’intéresser aux modèles cordiciens qui montrent des triangles ou des formes plus prononcés. Je pense qu’on a exploré une fraction infime des possibilités de la non-gaussianité selon Kamionkowski.

Le modèle de l’attracteur-alpa cosmologique

Pendant ce temps, Linde et Kallosh vont dans une direction totalement différente. Pendant ces 3 dernières années, ils sont tombés amoureux d’une classe de modèles qu’on appelle les attracteurs-alpa cosmologiques qui ne prédisent aucune non-gaussianité au dessus du plancher gravitationnel. Selon ces modèles, l’inflation cosmique était totalement pure, contrôlée seulement par le champ d’inflaton. Le champ est décrit comme une Variété kählérienne. Cette dernière se base sur le disque géométrique qu’on peut voir dans les dessins d’Escher sur les anges et les démons. La géométrie Eschérienne fournit un continuum de valeurs possibles sur les niveaux d’énergie de l’inflation incluant celles qui sont si basses que le croisement de l’inflaton avec le champ gravitationnel et d’autres champs primordiaux serait très faible. Et si c’est ce modèle qui décrit l’univers, alors on ne pourra jamais détecter les tourbillons, les triangles et les autres formes.

Linde ne s’en inquiète pas. En supportant les modèles d’attracteurs-alpha, ce chercheur et Kallosh se positionnent en faveur d’une théorie simple et élégante au détriment de savoir si leur histoire d’origine cosmologique est correcte. Un univers attracteur-alpha, selon Linde, est comme une de ces familles joyeuses dans la fameuse d’ouverture d’Anna Karenine. Et il termine avec une citation de Tolstoi : Toutes les familles joyeuses se ressemblent, mais les familles malheureuses le sont à leurs propres façons.

Est-ce que notre univers est joyeux et complètement libre de caractéristiques identifiables ? Baumann, qui a co-écrit un livre sur la cosmologie cordicienne l’année dernière, argue que les modèles de Linde et Kallosh sont trop simples pour être plausibles. Ils construisent ces modèles en partant du plus bas. Ils introduisent un seul champ qui est très minimal pour avoir un superbe modèle du monde. Mais quand vous tentez d’intégrer l’inflation dans la théorie fondamentale de la nature, il est difficile de créer un seul champ agissant par lui-même et qui serait immunisé contre tout effet extérieur. La théorie des cordes possède de nombreux de ces effets et vous ne pouvez pas les ignorer.

Le télescope Planck pour trouver les triangles du Big Bang

Et donc, la recherche des triangles et des non-gaussianités continue toujours. De 2009 à 2013, le télescope Planck a cartographié le fond diffus cosmologique dans sa plus forte résolution et les scientifiques cherchent des triangles et d’autres formes sur cette carte. Et selon leur dernière analyse, il n’y a rien. Mais les instruments ne sont pas encore suffisamment sensibles et une autre analyse non gaussienne est prévue pour cette année.

Hiranya Peiris, une astrophysicienne à l’University College London qui cherche des non Gaussianités dans les données de Planck, a déclaré qu’elle et ses collaborateurs utilisent des indices provenant des cosmologues cordiciens pour déterminer le type de signal à chercher. Peiris veut tester un mécanisme d’inflation de la théorie des cordes connu comme la monodromie axion incluant des variantes développées par Silverstein et ses collaborateurs Raphael Flauger, Mehrdad Mirbabayi et Leonardo Senatore. Les modèles de ces derniers génèrent un pattern oscillatoire dans les triangles qui est plus prononcé que le pattern étudié par Arkani-Hamed et Maldacena. Pour découvrir un tel signal, Peiris et son équipe doivent construire des templates du Pattern et les faire correspondre avec les données. C’est une tache intensive et très ardue.

Certains modèles cordiciens ont été infirmés par l’analyse des données. En dépit du débat pour dire si la théorie des cordes est trop éloignée de l’analyse empirique et que cette théorie n’est pas de la science, Silverstein a déclaré que c’est surréel, car nous faisons de la science traditionnelle avec la théorie des cordes. Et pour le futur, les cosmologues envisagent d’analyser de grands volumes de l’univers pour trouver des structures plus larges. À partir de 2020, la mission proposée SPHEREx sera suffisamment sensible pour détecter la Non Gaussinaité dans la distribution de 300 millions de galaxies. Cela permettra de déterminer si l’inflation a été gérée par une horloge ou 2 horloges interconnectées.

Si on atteint ce niveau, alors cela réduirait considérablement les théories d’inflation selon Doré, qui travaille sur le projet SPHEREx. Quelques années plus tard, le Large Synoptic Survey Telescope va cartographier 20 milliards de structures cosmologiques.

Et il restera une autre approche si on ne détecte pas de triangles dans les grandes structures de l’univers. En cartographiant un signal radio très faible qu’on connait comme la raie à 21 cm, émis par les atomes d’hydrogène et qu’on peut retracer jusqu’à la création des premières étoiles, les cosmologues seront capables de mesurer les modèles et les arrangements de ces structures. C’est comme si on avait l’information de tout le volume de l’univers selon Maldacena. Et s’il y a des triangles, alors ils révéleront un par un nature de l’horloge de l’inflation et pourquoi elle a émis un tic. Mais est-ce qu’on a suffisamment d’espace pour collecter les indices nécessaires ?

L’obscurité du Big Bang

Si nous supposons que nous pouvons faire des mesures parfaites et que nous avons un ciel infini selon Maldacena, alors en principe, toutes les interactions et informations concernant les particules pendant l’inflation sont contenues dans ces corrélateurs qui sont les corrélations en 3 points, 4 points, etc. Mais des mesures parfaites sont impossibles. Et le pire est que le ciel est limité. Il y a un horizon cosmique avec la distance la plus éloignée que nous pouvons et à partir de laquelle nous ne voyons que du noir. Pendant l’inflation et l’accélération de l’expansion de l’univers, les tourbillons, les triangles et autre se trouvent peut-être dans cette partie qui est inaccessible à nos yeux. On postulera qu’il y a ces triangles, mais ils sont complètement hors de notre portée et nous ne saurons jamais les principaux ingrédients de l’univers.

Dans son papier avec Maldacena, Arkani-Hamed a inclus une discussion sur ce problème, mais il l’a supprimé par la suite. Il n’aime pas l’idée d’une connaissance fondamentalement limitée et il voit ce problème comme une nécessité d’étendre la mécanique quantique. Une manière de le faire est ses travaux sur l’Amplituèdre qui utilise les probabilités de la mécanique quantique (et l’unitarité) comme des conséquences émergentes d’une géométrie sous-jacente. Il prévoit de discuter de cette possibilité dans un papier qui montre une analogie entre l’Amplituèdre et les non-gaussianités dans le ciel.

Certains sont plus optimistes malgré nos moyens limités. Je suis plus pratique selon Zaldarriaga. Il y a des dizaines de modes que nous pourrions voir, mais qui sont cachées par notre limite technologique et théorique. Ces questions de principe sont intéressantes, mais nous devons continuer à avancer. Kleban estime aussi que l’information est limitée, mais on peut dire la même chose de l’évolution. On trouve seulement quelques fossiles dans le sol et pourtant, on arrive à raconter toute l’histoire des espèces sur Terre à partir de ces fossiles. Et si tout se passe bien, alors il y a beaucoup de fossiles qui nous attendent dans le ciel pour nous raconter l’histoire complète de l’univers et c’est un champ de recherche qui est totalement inexploré.