L’univers est né il y a 13,8 milliards d’années. Ce qui s’est passé à cette époque est d’un grand intérêt pour quiconque tente de comprendre pourquoi les choses se sont déroulées ainsi.
“Je pense que la question de savoir ce qui s’est passé au début de l’univers est profonde”, a déclaré David Spergel, président de la Fondation Simons, une organisation à but non lucratif qui soutient la recherche dans les domaines pionniers des mathématiques et des sciences. “Et ce qui est vraiment excitant pour moi, c’est le fait que nous pouvons faire des observations qui peuvent donner un aperçu de cela.”
Un nouvel observatoire de 110 millions de dollars dans le haut désert du nord du Chili, financé à hauteur de 90 millions de dollars par la fondation, pourrait révéler des indices clés sur ce qui s’est passé après le Big Bang en observant les particules lumineuses qui voyagent à travers l’univers depuis presque la nuit des temps.
Les données pourraient enfin fournir des preuves étayant une idée fantastique connue sous le nom d’inflation cosmique. Cela indique qu’à l’instant qui a suivi la naissance de l’univers, la structure de l’espace-temps s’est accélérée vers l’extérieur à une vitesse beaucoup plus rapide que la vitesse de la lumière.
Ou bien, de telles mesures d’observatoire pourraient remettre en cause cette hypothèse, qui constitue un pilier de la compréhension actuelle de la cosmologie.
L’observatoire porte le nom de la fondation et de ses fondateurs : Jim Simons, milliardaire et philanthrope des hedge funds décédé le 10 mai, et son épouse, Marilyn, économiste de formation. Deux des quatre télescopes ont commencé à prendre des mesures en avril, juste à temps pour le Dr. Simons le 25 avril.
“C’était un objectif que Jim s’était fixé il y a de nombreuses années pour achever son projet”, a déclaré le Dr. Spergel. “Et nous y sommes arrivés.”
Situé au milieu d’un majestueux paysage aride à une altitude de 17 000 pieds, l’observatoire possède trois petits télescopes qui ressemblent à des cornets de glace et un télescope plus grand constitué d’une boîte orientable qui ressemble à un cousin d’un droïde « Star Wars ».
Le télescope collecte les micro-ondes – des longueurs d’onde plus longues que la lumière visible mais plus courtes que les ondes radio. Deux petits télescopes ont commencé à collecter des données. Un troisième les rejoindra dans les prochains mois, et un quatrième, beaucoup plus important, débutera ses activités l’année prochaine.
Environ 60 000 détecteurs répartis dans quatre télescopes étudieront ensuite la lumière cosmique provenant des micro-ondes qui remplissent l’univers.
“Il s’agit d’un instrument unique”, a déclaré Suzanne Staggs, professeur de physique à l’Université de Princeton et codirectrice de l’Observatoire Simons. “Nous avons tellement, tellement de détecteurs.”
Au cours des 380 000 premières années de l’enfance de l’univers, les températures étaient si élevées que les atomes d’hydrogène ne pouvaient pas se former, et les photons – particules de lumière – rebondissaient sur les particules chargées, étant constamment absorbés et émis. Mais une fois que l’hydrogène peut se former, les photons peuvent voyager sans entrave. Les photons se sont refroidis à quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu et leurs longueurs d’onde se sont étendues dans la partie micro-onde du spectre.
Le fond diffus cosmologique a été observé pour la première fois il y a un demi-siècle, par un sifflet capté par hasard par une antenne à Holmdel, dans le New Jersey.
Dans les années 1990, le satellite de la NASA, Cosmic Background Explorer, a révélé de minuscules impulsions de température dans le micro-onde cosmique – une empreinte digitale qui montre à quoi ressemblait l’univers primitif. Ces fluctuations reflètent les variations de la densité de l’univers, et les régions les plus denses se rassembleront alors pour former des galaxies et des structures encore plus grandes de superamas de galaxies qui se forment comme une toile d’araignée cosmique.
L’Observatoire Simons vise à explorer davantage de détails – les modèles de lumière tourbillonnants que les cosmologistes appellent modes B – dans les micro-ondes.
Alan Guth, professeur au Massachusetts Institute of Technology, a proposé l’idée de l’inflation cosmique il y a 45 ans, en partie pour expliquer l’homogénéité plate de l’univers. Peu importe dans quelle direction vous regardez, peu importe à quelle distance vous regardez, tout dans le fond cosmique des micro-ondes semble presque le même.
Mais l’univers observable est si grand qu’il n’y a pas assez de temps pour que les photons se déplacent à travers l’univers pour que la température soit uniforme partout. Mais un étirement rapide de l’espace-temps – l’inflation – peut y parvenir, même si cet étirement prendra fin lorsque l’univers aura moins de mille milliards de milliards de milliards de secondes.
Les observations cosmologiques actuelles correspondent à l’image de l’inflation cosmique, a déclaré Brian Keating, professeur de physique à l’Université de Californie à San Diego et l’un des responsables du projet.
Cependant, le Dr. Keating a ajouté : « à ce jour, il n’y a aucune preuve concrète ».
L’expansion accélérée produirait des ondes gravitationnelles géantes qui secoueraient la matière d’une manière qui laisserait les modes B parmi le rayonnement micro-onde primitif.
“Les modes B, les ondes gravitationnelles qui imprègnent le cosmos tout entier, seraient l’équivalent de la fumée d’une arme à feu”, a déclaré le Dr. Keating.
Pour les modes B, les scientifiques examineront une propriété de la lumière appelée polarisation.
La lumière est constituée de champs électriques et magnétiques qui vibrent selon des angles mutuellement perpendiculaires. Normalement, ces champs sont orientés dans des directions aléatoires, mais lorsque la lumière se reflète sur certaines surfaces, les champs peuvent s’aligner ou se polariser.
La polarisation de la lumière peut être étudiée à l’aide de filtres, à travers lesquels seule la partie de la lumière polarisée dans une certaine direction passera. (C’est ainsi que les lunettes de soleil polarisées gèrent la brillance. Lorsque la lumière du soleil se reflète sur l’eau, elle se polarise, de la même manière que la lumière au début de l’univers s’est polarisée.)
Le détecteur d’un observatoire consiste essentiellement en un filtre polariseur rotatif. Si le micro-ondes n’est pas polarisé, la luminosité du micro-ondes restera constante. S’ils sont polarisés, la luminosité augmentera et diminuera – la plus brillante lorsque le filtre est parallèle à la polarisation, la plus faible lorsque le filtre est perpendiculaire à la polarisation.
La répétition de ces mesures dans le ciel révélera des modèles de polarisation.
Il existe deux types de modèles de polarisation. L’un d’eux est appelé mode E, pour électricité, car il est analogue au champ électrique émanant d’une particule chargée. Des observations antérieures de micro-ondes ont détecté des modes E dans des micro-ondes primitives, générées par des variations de la densité de l’univers.
D’autres modèles de polarisation ont des caractéristiques trouvées dans les champs magnétiques. Puisque la physique utilise la lettre B comme symbole pour désigner un champ magnétique, on parle alors de mode B.
“Ils ressemblent à un vortex”, explique le Dr. Spergel.
Les ondes gravitationnelles feront vibrer les électrons en produisant de minuscules modes B dans le micro-onde cosmique.
“La détection, ce serait un prix Nobel”, a déclaré Gregory Gabadadze, professeur de physique à l’Université de New York et directeur associé pour la physique à la Fondation Simons. « Ne vous souciez pas du prix Nobel. Une si grande découverte, qui se soucie des récompenses qui lui sont décernées ?
Les mesures micro-ondes peuvent également révéler d’autres phénomènes physiques majeurs, notamment la masse de particules fantomatiques appelées neutrinos, ou l’identification de la matière noire, une particule mystérieuse qui représente 85 % de la masse de l’univers.
Le plus grand défi pour les cosmologistes est peut-être de ne pas se leurrer.
C’est ce qui s’est passé il y a dix ans lorsque des scientifiques travaillant sur une expérience connue sous le nom de BICEP2, pour Cosmic Extragalactic Polarization Background Imaging, ont annoncé avoir trouvé des preuves de l’implication des ondes gravitationnelles primitives et de l’inflation cosmique.
Mais en peu de temps, ces affirmations se sont effondrées. Les micro-ondes observées ne proviennent pas du Big Bang et de l’inflation, mais plutôt de la poussière présente dans notre galaxie, la Voie lactée.
Afin de ne pas répéter cette erreur, l’Observatoire Simons réalisera des observations à plusieurs longueurs d’onde. (Les résultats de BICEP2 dépendent d’une seule longueur d’onde.)
L’un des télescopes de l’Observatoire Simons sera dédié à la détection de la poussière interstellaire, qui émet à des températures plus élevées. Le signal sera ensuite soustrait, ce qui ne devrait laisser que le fond diffus cosmologique.
“Nous continuons à lutter pour éviter une répétition du fiasco qui nous a fait du mal auparavant”, a déclaré le Dr. Keating. “Si cela se reproduit, je pense que personne n’aura jamais confiance dans ce domaine.”
Après la controverse BICEP2, le Dr. Simons a convaincu des groupes de recherche concurrents de collaborer à l’Observatoire Simons. “J’ai plaisanté en disant qu’il s’est imposé de force pour nous rejoindre, en s’appuyant sur son expérience dans le monde des hedge funds”, a déclaré le Dr. Keating.
Il se peut que l’Observatoire Simons ne parvienne toujours pas à trouver ce qu’il cherche ou que les données soient ambiguës. Peut-être que les émissions imprudentes de poussière se révéleront être un problème plus important que prévu, cachant les modes B primitifs.
«C’est comme regarder New York à travers une vitre sale», explique le Dr. Keating. “La nature n’a pas de contrat avec nous pour produire des signaux observables.”
Ou peut-être qu’il n’y a pas de modes B du tout. Cela plaira aux cosmologues à contre-courant qui n’aiment pas l’idée d’une inflation cosmique. Une conséquence apparemment inévitable de l’inflation est le multivers, cet univers continue de diverger vers des possibilités alternatives infinies.
“Littéralement, chaque arrangement de matière, d’espace, de temps et d’énergie apparaît quelque part dans le paysage cosmique appelé multivers”, a déclaré le Dr. Keating. «Certaines personnes trouvent cela très attrayant et d’autres trouvent cela désagréable.»
Cependant, toutes les alternatives estiment les modes B nuls. Ainsi, une détection réussie les exclura.
“Cela ne prouverait toujours pas l’inflation”, déclare le Dr. Keating, “mais cela réduira le nombre d’auteurs de quatre ou cinq à un”.
Si l’Observatoire Simons ne détecte aucun mode B, il ne réfute pas définitivement l’inflation cosmique. Mais il serait plus difficile de construire des modèles théoriques de manière à produire des modes B suffisamment petits pour être indétectables.
“Le paradigme de l’inflation va être en grande difficulté”, a déclaré le Dr. Gabadadzé. « La majorité l’abandonnera et nous chercherons des alternatives à l’inflation. »
En effet, le Dr. Keating a dit que le Dr. Simons, un éminent mathématicien avant de se tourner vers le monde de la finance, fait partie de ceux qui aimeraient voir l’inflation jetée aux poubelles des hypothèses scientifiques non prouvées.
“Cela correspond alors à son concept d’un modèle cyclique ou de durée de vie pour l’univers”, a déclaré le Dr. Keating. Mais le Dr. Simons est également prêt à investir de l’argent pour découvrir s’il peut avoir tort.
“Son véritable amour était la science”, a déclaré le Dr. Keating.
2024-06-03 16:47:48
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