Et si le Big Bang n’était pas aussi «froid» qu’on ne le pensait ?

Des chercheurs de l’UCLouvain, en collaboration avec Caltech (États-Unis) et l’Institut Max Planck de physique (Allemagne), viennent de proposer une nouvelle façon de raconter les débuts de l’univers. Leur modèle remet en question l’idée d’un Big Bang glacial et vide : selon eux, l’univers aurait été « chaud » dès ses premières fractions de secondes grâce à une particule appelée axion.

Depuis que l’idée du Big Bang a été proposée pour la première fois par Georges Lemaître à l’Université de Louvain il y a près de cent ans, de nombreuses théories ont vu le jour pour tenter d’expliquer l’origine de l’univers. Parmi celles-ci, beaucoup ont tenté d’expliquer les raisons pour lesquelles l’univers nous paraît si uniforme dans toutes les directions, en postulant qu’il aurait connu, juste après sa naissance, une période d’expansion extrêmement rapide, appelée inflation cosmique. En d’autres termes, l’espace aurait grossi de façon démesurée en une fraction de seconde.

Toutefois, cette idée pose un problème : une telle expansion aurait dû refroidir et vider l’univers, le laissant presque désert. Comment, alors, ce vide glacial aurait-il pu donner naissance au plasma brûlant d’électrons, de protons et de photons que l’on retrouve dans le fond diffus cosmologique – la lumière fossile du Big Bang que nos télescopes détectent encore aujourd’hui ?

Une équipe de chercheurs de l’UCLouvain, du California Institute of Technology (Caltech), et de l’Institut Max Planck de physique vient de proposer une réponse audacieuse. Leur nouveau modèle imagine que l’expansion aurait été propulsée par une particule : l’axion. Ce minuscule élément, encore hypothétique, interagirait avec les gluons, les particules responsables de la force nucléaire forte, celle qui soude les protons et les neutrons à l’intérieur des atomes.

Un univers bouillonnant de particules

D’après Marco Drewes, chercheur à l’Institut de recherche en mathématique et physique de l’UCLouvain et coauteur de l’étude avec Kim Berghaus et Sebastian Zell, cette interaction aurait généré une sorte de frottement cosmique, transformant une partie de l’énergie de l’axion en chaleur et remplissant ainsi l’univers d’un plasma chaud dès ses débuts. Autrement dit, l’univers n’aurait peut-être jamais été totalement froid ni vide, mais déjà bouillonnant de particules.

Ce scénario, appelé « inflation chaude », avait déjà été évoqué par le passé. Mais c’est la première fois qu’un modèle de ce type s’appuie exclusivement sur une force de la nature déjà connue, sans faire intervenir plusieurs particules hypothétiques. Plus passionnant encore, l’axion pourrait être détecté en laboratoire : plusieurs expériences sur Terre tentent actuellement de le traquer, car il pourrait aussi expliquer le mystère de la matière noire.

Si cette théorie se confirme, elle ouvrirait une fenêtre inédite entre la physique des particules et la cosmologie. Peut-être sommes-nous sur le point de relier, pour la première fois, le Big Bang et la matière qui nous entoure dans une même histoire cohérente, celle d’un univers qui, dès son premier souffle, était déjà vibrant d’énergie !

Lien vers l’article dans Physical Review Letters : Warm Inflation with the Standard Model | Phys. Rev. Lett.

Photo du haut : © Aurore Delsoir