Problème du petit univers

L’univers est grand, disait Douglas Adams.

La lumière la plus lointaine que nous puissions voir est le fond diffus cosmologique (CMB), qui a mis plus de 13 milliards d’années à nous parvenir. Cela représente la limite de l’univers observable, et même si vous pourriez penser que cela signifie que l’univers a une largeur de 26 milliards d’années-lumière, grâce à l’expansion cosmique, il est maintenant plus proche de 46 milliards d’années-lumière. Dans l’ensemble, c’est une très grosse affaire. Cependant, la plupart des cosmologistes pensent que l’univers est bien plus grand que l’angle d’observation. Ce que nous pouvons voir n’est qu’une petite partie d’un espace inimaginablement vaste, Sinon, la création n’aura pas de fin. Cependant, une nouvelle étude suggère que la majeure partie de l’univers observable est tout ce qui existe.

Autrement dit, au niveau cosmique, l’univers est très petit.

Les cosmologistes pensent que l’univers est grand pour plusieurs raisons. Le premier est la répartition des amas de galaxies. Si l’univers ne s’étendait pas au-delà de ce que nous voyons, les galaxies plus lointaines ressentiraient une attraction gravitationnelle vers notre région de l’univers, mais pas vers nous, ce qui entraînerait des amas asymétriques. Parce que les galaxies convergent à peu près à la même échelle dans tout l’univers observable. Autrement dit, l’univers apparaît homogène et isotrope.

Le deuxième point est que L’espace-temps est plat. Si l’espace-temps n’était pas plat, notre vision des galaxies lointaines serait déformée, les faisant apparaître beaucoup plus grandes ou plus petites qu’elles ne le sont réellement. Les galaxies lointaines semblent légèrement plus grandes en raison de l’expansion cosmique, mais ne présentent pas la courbure globale de l’espace-temps. D’après nos limites d’observation, la planéité de l’univers signifie qu’il est au moins 400 fois plus grand que l’univers observable.

Ensuite, il y a le fait que le fond cosmique des micro-ondes est un corps noir presque parfait. Il y a de légères variations de température, mais elles sont plus uniformes qu’elles ne devraient l’être. Pour expliquer cela, les astronomes proposent une période d’expansion massive après le Big Bang, connue sous le nom d’inflation cosmique précoce. Nous n’en avons pas observé de preuve directe, mais ce modèle résout de nombreux problèmes cosmologiques et est donc largement accepté. Si le modèle est précis, l’univers est classé 10ème²⁶ fois plus grand que l’univers visible.

Alors, sur la base de toutes ces preuves théoriques et observationnelles, comment peut-on affirmer que l’univers est petit ? Il s’agit de théorie des cordes et de marécages.

Bien que la théorie des cordes soit souvent présentée comme une théorie physique, il s’agit en réalité d’un ensemble de méthodes mathématiques. Il peut être utilisé pour développer des modèles physiques complexes, mais peut aussi être purement mathématique. L’un des problèmes liés à la relation entre les mathématiques de la théorie des cordes et les modèles physiques est que les effets ne seront visibles que dans les situations les plus extrêmes, et nous ne disposons pas de suffisamment de données d’observation pour exclure différents modèles. Cependant, certains modèles de théorie des cordes semblent plus prometteurs que d’autres. Par exemple, certains modèles sont compatibles avec la gravité quantique, tandis que d’autres ne le sont pas. Trop souvent, les théoriciens identifient un « marécage » de théories peu prometteuses.

Si l’on sépare le terrain théorique prometteur des marécages, il ne reste que des théories suggérant que l’inflation cosmique précoce n’était pas une option. La plupart des modèles inflationnistes de la théorie des cordes sont en difficulté. Cela amène les gens à se demander s’il est possible de construire un modèle cosmologique cohérent avec les observations sans inflation initiale. Ce qui nous amène à cette nouvelle étude.

Une façon d’éviter une inflation cosmique précoce est d’examiner les structures dimensionnelles supérieures. La relativité générale classique est basée sur quatre dimensions physiques, trois spatiales et une temporelle, ou 3+1. Mathématiquement, vous pouvez imaginer un univers 3+2 ou 4+1, où la structure globale peut être combinée en une structure 3+1 efficace. Il s’agit d’une approche courante en théorie des cordes car elle ne se limite pas à la structure standard de la relativité générale. Les auteurs montrent que dans de bonnes conditions, il est possible de créer des structures de dimension supérieure dans la théorie des cordes, qui sont cohérentes avec les observations et évitent les bourbiers. D’après leur modèle de jeu, l’univers pourrait être seulement cent ou mille fois plus grand que l’univers observable. Encore important, mais assez faible par rapport au modèle d’inflation initial.

Tout cela n’est que spéculation, mais c’est sans doute ce qui s’est passé au début de l’inflation. Si une inflation cosmique précoce se produisait, nous devrions être en mesure d’observer ses effets via les ondes gravitationnelles dans un avenir proche. À défaut, il pourrait être utile d’examiner de plus près les modèles de théorie des cordes qui nous tiennent à l’écart du bourbier théorique.

référence: Linners, Jean-Luc dan Quentin, Jerome. “Petit univers« . préimpression arXiv arXiv:2309.03272 (2023)