Un Deuxième Big Bang ? L’idée radicale qui réécrit l’origine de la matière noire

Introduction

Depuis des décennies, le mystère de la matière noire intrigue les physiciens du monde entier. Cette substance invisible qui semble maintenir les galaxies ensemble reste l’un des grands défis de la cosmologie. Cependant, une idée radicale commence à émerger : et si la matière noire avait été créée lors d’un événement distinct de la création de l’univers lui-même ? Cette hypothèse pourrait potentiellement transformer notre compréhension de l’univers primitif. Dans cet article, nous explorerons cette théorie intrigante et les implications qu’elle pourrait avoir pour notre compréhension de la matière noire et de l’univers.

La Mystérieuse Matière Noire

L’une des principales raisons pour lesquelles les scientifiques croient en l’existence de la matière noire est qu’elle résout plusieurs énigmes astronomiques. Par exemple, les galaxies au sein de grappes orbitent plus rapidement que ce que la gravité seule pourrait expliquer. De plus, les galaxies individuelles semblent se former prématurément, et leurs régions extérieures tournent trop rapidement. Ces observations suggèrent l’existence de halos géants de matière invisible dont la gravité supplémentaire maintient les galaxies et les amas stellaires ensemble. Cependant, bien que la matière noire soit estimée à cinq fois plus abondante que la matière ordinaire, les particules qui la composent n’ont jamais été identifiées.

À la Recherche de la Matière Noire

Au cours des 40 dernières années, les physiciens ont mis au point des détecteurs sophistiqués pour tenter de détecter la matière noire. La plupart de ces expériences cherchent ce que l’on appelle des « particules massives interagissant faiblement », abrégées en WIMPs. Ces particules hypothétiques interagiraient non seulement par la gravité, mais aussi par la force nucléaire faible, l’une des quatre forces fondamentales de la nature. Cela signifie que si les WIMPs existent, ils devraient interagir avec les noyaux atomiques. Par conséquent, les physiciens observent de près de grands réservoirs de liquide dense, espérant détecter l’éclair caractéristique d’une particule de matière noire en collision avec un noyau. Malgré des expériences de plus en plus créatives et l’exploration de nouveaux types potentiels de matière noire, une détection authentique nous échappe encore.

Une Nouvelle Perspective sur la Matière Noire

Cependant, notre incapacité à trouver ces particules pourrait indiquer une vérité utile, bien que déconcertante, sur la nature de la matière noire. Il est possible qu’elle n’interagisse pas du tout avec la force faible, auquel cas seule la gravité servirait de lien avec la matière ordinaire. Cette perspective a été qualifiée de « scénario cauchemardesque », car la gravité est si faible à l’échelle des particules individuelles que la détection devient presque impossible. Néanmoins, cette situation incite à repenser nos hypothèses sur la manière dont la matière noire a été créée, dans l’espoir de mieux comprendre comment elle se manifeste aujourd’hui.

L’Hypothèse du « Big Bang Sombre »

En février, Katherine Freese et son collègue Martin Winkler ont proposé une idée audacieuse : il y aurait eu un deuxième big bang dans les semaines qui ont suivi le big bang initial. Ils ont appelé cela un « big bang sombre » parce qu’il aurait créé la matière noire selon un processus distinct de celui qui a produit les particules et les forces que nous connaissons. Cette idée peut sembler absurde, mais elle repose sur des raisons solides qui remettent en question notre compréhension de l’univers primitif et même de ce que nous entendons par « big bang ».

Repenser le Big Bang

Le terme « big bang » a été inventé en 1949 par Fred Hoyle, un opposant à la cosmologie du big bang. Il l’a apparemment créé pour se moquer de l’idée que toute la matière et l’énergie seraient nées en un seul instant. Les partisans du big bang ont soutenu que cet instant, initialement infiniment chaud et dense, a graduellement évolué pour devenir l’univers vaste et varié que nous connaissons aujourd’hui. Bien que cette idée ait semblé improbable à Hoyle, les physiciens ont découvert des preuves décisives en faveur du big bang dans les années 1960, notamment la découverte d’une mer de rayonnement appelée le fond cosmique micro-onde (CMB).

Le Modèle Inflationniste

Cependant, le modèle du big bang a rapidement été confronté à des problèmes. La température du CMB est incroyablement uniforme dans le ciel nocturne. Pourtant, il faudrait un temps considérable pour que les photons, les particules qui véhiculent la force électromagnétique, se répartissent uniformément dans tout l’univers. Pour résoudre cette énigme, les physiciens ont ajouté une période d’expansion extrême après le big bang, appelée inflation cosmique, pour lisser les variations de température.

La Transition de Phase Cosmique

L’inflation cosmique est une transition de phase, similaire au changement d’énergie qui se produit lorsque votre bouilloire transforme l’eau en vapeur. Les physiciens ont ensuite réalisé que les transitions de phase pourraient avoir radicalement modifié la nature de l’univers primitif de bien d’autres manières. Des transitions similaires sont censées avoir créé des particules fondamentales à partir de l’énergie de l’espace-temps vide, séparé les quatre forces fondamentales de la nature d’une force unifiée qui les précédait, et expliqué des mystères tels que l’énergie sombre, cette force inconnue qui fait que l’univers s’étend de plus en plus rapidement.

L’Ère des Transitions de Phase

Aujourd’hui, la plupart des cosmologistes accordent peu d’importance à la notion vague d’un grand bang au début du temps. Au lieu de cela, les transitions de phase sont devenues cruciales. Le « grand bang chaud » est le terme générique désormais utilisé pour décrire la série complexe de transitions énergétiques qui ont eu lieu après l’inflation. Cependant, les détails de cette période instable et fluctuante sont encore en cours d’exploration.

Le « Big Bang Sombre » Devient Plausible

Dans ce contexte, l’ajout d’un autre big bang à l’équation par Freese et Winkler, métaphoriquement comparé à l’allumage d’une bouilloire, n’est peut-être pas une idée aussi audacieuse qu’il n’y paraît. Le « big bang sombre » devient plausible parce que les particules qu’il crée n’influencent l’univers que par la gravité. Selon Freese, tant que le « big bang sombre » se produit dans un délai d’un mois après le « grand bang chaud », son influence sur la structure des galaxies et des amas que nous observons aujourd’hui est minimale. Elle déclare : « Vous devez être absolument sûr de ne pas perturber l’évolution standard de la cosmologie. »

Les Différents Types de Matière Noire

En ce qui concerne les types de matière noire que le « big bang sombre » pourrait créer, les calculs de Freese et Winkler suggèrent qu’au moins trois types différents de particules de matière noire pourraient être formés, tous étant étranges, mais certains étant encore plus étranges que d’autres. Pour produire les particules les plus massives, la transition de phase doit être brutale, créant ainsi des bulles en expansion qui passent d’un état à l’autre. Lorsque ces bulles entrent en collision, elles libèrent leur énergie. Cela ressemble au sifflement que vous entendez lorsque la bouilloire commence à bouillir et que des milliers de petites bulles émergent. Dans ce type de « big bang sombre », les bulles sont si énergétiques qu’il serait possible de produire des particules 10 billions de fois plus massives qu’un proton. Pour refléter la taille monstrueuse de ces particules de matière noire, Freese et Winkler les appellent « darkzillas » – un jeu de mots sur le nom du monstre japonais fictif.

Différents Scénarios pour la Matière Noire

Si la transition de phase est progressive, en revanche, le « big bang sombre » produit des particules plus légères. Le premier type de telles particules est analogue aux WIMPs que les expériences traditionnelles de matière noire recherchent. Ces « dark WIMPs » interagiraient avec des versions sombres des forces de la nature, telles que l’électromagnétisme sombre, qui crée des photons sombres. Si ces forces sombres n’existent pas, les « dark WIMPs » ne pourraient plus équilibrer leur énergie en absorbant et en émettant des photons sombres. Au lieu de cela, vous obtenez une particule au nom sinistre appelée « cannibale sombre ». « Ce ne sont là que quelques-unes des possibilités. Il y en a probablement plus », explique Freese.

Multiples Propositions pour la Matière Noire

Il convient de noter que ce n’est pas la première fois qu’un secteur caché de particules sombres est proposé. Les photons sombres et les neutrinos stériles, par exemple, ont depuis longtemps été suggérés comme des candidats à la matière noire ne ressentant que la gravité. Plusieurs chercheurs ont déjà proposé la création de matière noire par collision de bulles lors de transitions de phase. D’autres utilisent ces transitions pour expliquer la création de matière noire à partir de trous noirs primordiaux ou de phénomènes particuliers tels que les « nuggets de quarks ».

Des Propositions Spéciales

Selon Kai Schmitz de l’Université de Münster en Allemagne, « Ce qui est spécial dans [la proposition de Freese et Winkler], c’est que leur secteur sombre est extrêmement sombre », ce qui signifie qu’il n’y a rien d’autre que la gravité qui relie les côtés lumineux et sombres de l’univers. Cette séparation soulève elle-même des questions, car il n’est pas clair d’où vient l’énergie nécessaire pour déclencher le « big bang sombre ». Selon le rasoir d’Occam, les hypothèses les plus simples sont toujours préférables. « Pourquoi avoir deux grands bangs quand un seul suffit ? », demande Schmitz.

En Quête de Preuves

Pour l’instant, les WIMPs restent les candidats les plus prometteurs pour la matière noire, selon Chamkaur Ghag de l’University College London. Cependant, il estime qu’il faudra probablement au moins une décennie de plus avant que les WIMPs ne puissent être écartés en tant que théorie privilégiée. Ghag garde néanmoins un esprit ouvert quant à des alternatives plus audacieuses telles qu’un deuxième big bang. « À première vue, il n’y a rien de mal avec cette théorie », dit-il. « La question est de savoir si [elle] tient la route et est testable. »

La Recherche de Gravitational Waves

Freese est convaincue que la réponse est oui. Selon elle, les bulles en collision lors des transitions de phase liées au « big bang sombre » laisseraient une empreinte distincte sous forme d’ondes gravitationnelles dans l’espace-temps. Elle suggère même que nous avons peut-être déjà observé ces ondulations.

La Détection des Ondes Gravitationnelles

La première détection d’ondes gravitationnelles a été annoncée en 2016 par l’Observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser (LIGO). Depuis lors, il y en a eu plus d’une centaine d’autres. Chacune peut être attribuée à une collision entre deux objets célestes ultradenses, tels que des trous noirs et des étoiles à neutrons. Cependant, il existe un autre type de signal d’ondes gravitationnelles : un bourdonnement de fond similaire en forme au CMB. Celui-ci pourrait être produit par de nombreuses collisions de trous noirs lointains qui ne peuvent pas être résolues séparément. Ou il pourrait être créé par des transitions de phase dans l’univers primitif.

Les Résultats de NANOGrav

En juin, des astronomes de l’Observatoire Nord-Américain des Ondes Gravitationnelles Nanohertz (NANOGrav) ont détecté ce bourdonnement de fond d’ondes gravitationnelles. Le signal est encore trop faible pour déterminer son origine, bien que la prédiction la plus probable soit qu’il provienne de collisions de trous noirs, étant donné que nous savons qu’ils existent. Cependant, le « big bang sombre » représente une explication alternative crédible, selon Freese. Les échelles d’énergie que nous évoquons pour le « big bang sombre » sont parfaites pour les collisions de bulles qui produiraient des signaux détectables par NANOGrav. Il y a un « énorme potentiel » dans l’étude de toutes sortes de transitions de phase de l’univers primitif, déclare Kai Schmitz, qui fait partie du consortium NANOGrav. « [Le big bang sombre] ne peut pas être exclu sur la base des données actuelles. »

NANOGrav fonctionne en mesurant de légères perturbations dans les signaux réguliers des étoiles à neutrons appelées pulsars. Une analyse minutieuse des temps d’arrivée de ces signaux peut révéler les caractéristiques du bourdonnement de fond d’ondes gravitationnelles, donnant ainsi des indices sur son origine. Si des variations, appelées anisotropies, apparaissent dans le bourdonnement gravitationnel à travers le ciel, cela suggérerait que ce sont les collisions de trous noirs, et non les transitions de phase, qui en sont responsables. Schmitz déclare : « Si nous avons de la chance, une telle détection d’anisotropies pourrait être imminente, dans seulement quelques années. »

À la Recherche de l’Inflation Cosmique

Cependant, si le bourdonnement gravitationnel reste obstinément uniforme, il est probable qu’il provienne des transitions de phase dans l’univers primitif. Cependant, ce signal pourrait être composé de nombreuses transitions de phase différentes et imbriquées, qui devront être démêlées. Cela pourrait inclure l’inflation ou les transitions de phase qui ont formé les forces et les particules du modèle standard. Par exemple, l’un de ces changements d’énergie a eu lieu lorsque le champ de Higgs, qui confère leur masse à toutes les particules, s’est condensé. « Il pourrait y avoir d’autres transitions de phase », explique la cosmologiste Chiara Caprini de l’Université de Genève en Suisse. « Nous ne savons pas ce qui se passe à des énergies plus élevées. »

Pour comprendre tout cela, nous avons besoin de données plus précises sur les ondes gravitationnelles. NANOGrav collabore avec d’autres réseaux de mesure du temps des pulsars à travers le monde, tels que le Square Kilometre Array. De plus, l’Agence spatiale européenne lancera en 2037 le Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Les faisceaux laser envoyés entre ses trois vaisseaux spatiaux en formation mesureront les ondes gravitationnelles avec une précision exquise. Ensemble, affirme Freese, ces télescopes pourraient observer les signaux prédits par le « big bang sombre » et même identifier quelles particules de matière noire, que ce soient les « darkzillas » ou les « dark WIMPs », sont les candidates les plus probables pour constituer la matière noire. « Nous devons surveiller les données et voir si elles correspondent », conclut-elle.

Conclusion

L’hypothèse du « big bang sombre » est une théorie radicale qui pourrait révolutionner notre compréhension de l’origine de la matière noire et de l’univers primitif. Alors que les chercheurs continuent d’explorer cette idée intrigante, ils utilisent des instruments de pointe pour détecter des signaux d’ondes gravitationnelles et rechercher des preuves de cette théorie audacieuse. Si le « big bang sombre » se révèle être une explication plausible, il pourrait non seulement éclairer la nature de la matière noire, mais également bouleverser notre vision de l’univers lui-même. L’exploration de ces mystères fascinants continue, et la science cosmologique reste un domaine fertile pour la découverte et l’innovation.