Modèle inflationniste de l’univers

Le modèle inflationniste de l’Univers est une théorie cosmologique scientifique sur la loi et l’état de l’expansion de l’Univers pendant la phase initiale du Big Bang. Contrairement au modèle standard de l’univers chaud, cette théorie suppose une période d’expansion accélérée de l’univers à des températures supérieures à 10 28 Kelvin.

Contexte

Le modèle inflationniste de l’Univers a été développé relativement récemment. Dans les années 1930 du 20e siècle, les scientifiques savaient que notre Univers était en expansion continue. La découverte de la loi de Hubble, qui mettait en évidence ce fait, a joué un rôle important à cet égard. Les scientifiques ont compris que le processus d’expansion de l’univers était précédé de son commencement. C’est pourquoi ils ont décidé, en appliquant des lois physiques et mathématiques, de recréer théoriquement le processus de formation de l’Univers et de comprendre ce qui a exactement déclenché son expansion.

En élaborant une théorie sur la formation de l’Univers, les scientifiques ont été confrontés à un certain nombre de questions, telles que : pourquoi y a-t-il si peu d’antimatière dans l’Univers, alors qu’il devrait être composé de matière dans des proportions à peu près égales ; comment se fait-il que la température de toutes les régions de l’Univers soit à peu près la même, si ses différentes parties ne pouvaient en aucune façon entrer en contact les unes avec les autres ; pourquoi l’Univers possède-t-il exactement la masse et l’énergie qui peuvent ralentir l’expansion de Hubble, et bien d’autres choses encore. En cherchant des réponses à ces questions, les scientifiques ont élaboré le modèle standard d’un univers chaud, qui stipule qu’au tout début de son origine, l’univers était très dense et chaud, et qu’il n’existait qu’un seul champ d’interaction entre toutes les particules. Par la suite, au fur et à mesure de l’expansion et du refroidissement de l’Univers, ce champ s’est décomposé en interactions électromagnétiques, gravitationnelles, fortes et faibles qui ont permis aux particules composant l’Univers primordial de se combiner pour former des atomes et d’autres structures complexes.

En 1981, le scientifique américain Alan Guth a réalisé que la séparation des interactions fortes du champ unifié, ainsi que la transition de phase de la matière primordiale de l’Univers d’un état à l’autre se sont produites environ 10 à 35 secondes après la naissance de l’Univers. Cette période peut être appelée «cristallisation initiale de l’Univers» ou «expansion d’urgence de l’Univers». À certains égards, ce processus ressemble à la procédure de congélation de l’eau et à sa transformation en glace. Tout le monde sait que l’eau se dilate lorsqu’elle gèle. Alanu Guth a suggéré qu’au tout premier stade de la formation de l’Univers, il y a eu une expansion en forme de saut, grâce à laquelle l’Univers s’est dilaté 50 fois pendant une infime fraction de seconde. Le scientifique a appelé sa théorie le modèle inflationniste de l’Univers (Inflate — gonfler, pomper). Ce modèle permet d’expliquer pourquoi l’Univers possède une telle masse et une telle énergie, ce qui permet de ralentir l’expansion de Hubble, et pourquoi la température de toutes les régions de notre Univers est à peu près la même.

Le problème de l’homogénéité et de l’isotropie de l’Univers à grande échelle

Distribution de l’énergie dans l’Univers

La distance de Hubble coïncide avec la taille de notre univers observable. Cela signifie qu’en raison de l’âge fini de notre Univers et de la vitesse de la lumière, seules les régions de l’Univers situées à des distances égales ou inférieures à l’horizon d’observation peuvent être observées à l’heure actuelle.

À l’époque de Planck du Big Bang (le stade le plus précoce du développement de l’Univers), l’Univers observable se composait d’environ 10 90 régions sans interaction ni causalité entre elles. La similitude des conditions initiales dans un si grand nombre de régions était considérée comme improbable. Même dans les périodes de Big Bang ultérieures, le problème de la similitude des conditions initiales dans des régions sans lien de causalité demeure.

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Par exemple, à l’époque de la recombinaison, les photons du rayonnement relique qui nous parviennent de directions proches auraient dû coopérer avec des régions du plasma primaire entre lesquelles aucune connexion causale n’avait été établie pendant toute la durée de leur existence. En d’autres termes, on pourrait s’attendre à une anisotropie significative du rayonnement relique, mais les observations montrent qu’il est isotrope, et à un degré suffisamment élevé.

Le problème de l’univers plat

Selon les dernières données scientifiques, le plan de l’Univers est très proche du plan critique où la courbure de l’espace est nulle. Selon l’hypothèse scientifique, l’écart de la densité de l’Univers par rapport à la densité critique devrait augmenter au cours du temps. Pour expliquer la courbure spatiale de l’Univers dans le cadre du modèle standard, il est nécessaire d’accepter la déviation de sa densité à l’époque de Planck.

Pour simplifier au maximum, le modèle standard de l’Univers chaud est incapable d’expliquer la platitude de l’Univers, alors que le modèle inflationniste de l’Univers y parvient. Ses postulats stipulent que, quelle que soit la courbure de l’espace de notre Univers au moment de son expansion inflationniste, à la fin de cette expansion, cet espace s’est avéré presque entièrement droit. La courbure de l’espace, selon la théorie générale de la relativité, dépend de la quantité d’énergie et de matière qu’il contient. C’est pourquoi il y a suffisamment de matière dans notre Univers pour équilibrer l’expansion de Hubble.

Le problème de la structure à grande échelle de l’Univers

Structure à grande échelle de l’Univers

Le modèle hiérarchique de la distribution à grande échelle de la matière dans l’Univers représente la verticale suivante : superamas de galaxies — amas de galaxies — galaxies.

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Pour la formation d’une structure hiérarchique aussi claire à partir de petites fluctuations de densité, nous avons besoin d’une certaine forme du spectre et d’une certaine amplitude des perturbations primaires. Tous ces paramètres doivent être pris en compte dans le modèle standard.

Critique de la théorie inflationniste

Le principal critique du modèle inflationniste de l’Univers est l’astrophysicien anglais Sir Roger Penrose. Selon lui, bien que le modèle inflationniste de l’univers soit une théorie très réussie et intéressante, il présente certaines lacunes. Par exemple, cette théorie n’offre aucune justification fondamentale solide pour que les perturbations de la densité soient si faibles dans la phase pré-inflationniste que le degré observé d’homogénéité de l’univers émerge après l’inflation.

Une autre faiblesse de la théorie inflationniste, selon le scientifique, est son explication de la courbure spatiale. Selon l’hypothèse scientifique, la courbure spatiale diminue fortement pendant l’inflation, mais rien n’a empêché la courbure spatiale d’être si importante qu’elle se manifeste au stade actuel du développement de l’univers.

Preuves expérimentales du modèle inflationniste de l’Univers

Carte du rayonnement relique

Il n’y a pas si longtemps, en 2014, une expérience a été menée, dont les résultats ont permis aux scientifiques d’obtenir une preuve indirecte du modèle inflationniste de l’Univers. Cette confirmation, en particulier, était la polarisation du rayonnement relique. Les scientifiques pensaient qu’elle pouvait être causée par des fluctuations gravitationnelles primaires.

Cependant, le résultat d’une expérience similaire publiée le 19 septembre 2014 par une équipe d’astronomes avec l’aide de l’observatoire spatial «Planck» a montré que le résultat de l’expérience susmentionnée peut être attribué à l’influence non pas des fluctuations gravitationnelles primaires, mais de la poussière intergalactique. Ainsi, les scientifiques doivent encore prouver par l’expérience le modèle inflationniste de l’Univers.

Date de publication: 12-26-2023

Mettre à jour la date: 12-26-2023