Inflation cosmique

Inflation cosmique est la théorie selon laquelle, dans la première fraction de seconde après le Big Bang, l'univers a subi une brève explosion d'expansion incroyablement rapide et accélérée — augmentant en taille d'un facteur d'au moins 10²⁶ en moins de 10⁻³² secondes. Proposée par Alan Guth en 1980 et affinée par d’autres, l’inflation a été conçue pour résoudre plusieurs énigmes que le modèle standard du Big Bang ne pouvait pas expliquer à lui seul.

Les problèmes que l’inflation résout

Le problème d'horizon demande pourquoi l'univers semble si uniforme. Les régions situées sur les côtés opposés du ciel ont des températures presque identiques, mais dans le modèle simple du Big Bang, elles n'ont jamais été assez proches pour échanger de la lumière et s'égaliser. L'inflation résout ce problème en proposant que l'univers visible tout entier soit né d'une seule petite parcelle qui était en contact avant que l'inflation ne l'étire très loin. Le problème de planéité se demande pourquoi la géométrie de l'espace est si précisément plate ; L'inflation répond que toute courbure initiale a été étirée à plat, tout comme la surface d'un ballon qui se gonfle semble d'autant plus plate qu'elle s'agrandit. L’inflation dilue également les reliques exotiques comme les monopôles magnétiques que d’autres théories prédisent mais que nous n’observons jamais.

Graines de galaxies issues du bruit quantique

Le succès le plus puissant de l’inflation est presque poétique. Minuscule fluctuations quantiques dans le champ gonflé aurait été étiré jusqu'à atteindre une taille astronomique, se figeant sous la forme d'infimes variations de densité à travers le cosmos. Ces variations sont devenues les germes autour desquels la matière s’est ensuite effondrée en galaxies et en amas. Il est remarquable que le schéma prédit par l’inflation – un spectre de fluctuations presque uniforme, mais pas exactement uniforme – correspond aux ondulations mesurées dans le fond cosmique de micro-ondes avec une précision saisissante.

Test de gonflage

Parce que le mécanisme de base existe en de nombreuses versions, les physiciens testent l’inflation à travers les moindres détails de ces fluctuations primordiales. Deux signatures clés sont ondes gravitationnelles primordiales (ce qui imprimerait une torsion particulière dans la polarisation du fond micro-onde) et non-gaussianité – des écarts statistiques subtils par rapport à un modèle parfaitement aléatoire qui révéleraient comment le champ gonflant interagissait avec lui-même. Les mesurer est un objectif central de la cosmologie moderne.

Une idée fausse courante

L’inflation n’est pas l’explosion du Big Bang en elle-même, et il ne s’agit pas non plus de voler dans l’espace. C'est un étirement rapide de l'espace lui-même, entraîné par un champ particulier de haute énergie, se produisant avant la phase chaude et dense généralement décrite comme le Big Bang. L’inflation ouvre la voie ; la boule de feu familière du Big Bang le suit.

Ce que prédit réellement l’inflation

L’inflation est testable car elle permet de faire des prédictions spécifiques et mesurables sur les fluctuations primordiales. Le modèle doit être presque invariant à l'échelle mais légèrement incliné, décrit par l'indice spectral n_s, que des modèles simples prédisent être un peu en dessous de 1. Les mesures du satellite Planck donnent

n_s ≈ 0.965 ± 0.004

— significativement différent de 1, exactement comme l’inflation l’avait anticipé. L'inflation prédit également un fond d'ondes gravitationnelles primordiales, dont la force est fixée par le rapport tenseur/scalaire r. Aucune onde primordiale n'a encore été détectée et la limite actuelle (r < 0,04) a déjà exclu un certain nombre de modèles autrefois populaires. Cette combinaison – une légère inclinaison confirmée et des limites de resserrement sur r – c’est ainsi que les cosmologistes déterminent progressivement quelle version de l’inflation, le cas échéant, décrit notre univers.