Modèle cosmologique bi-métrique

Le modèle cosmologique bi-métrique, aussi appelé modèle cosmologique gémellaire, bi-feuillet ou théorie des univers jumeaux, est un modèle cosmologique non standard représentant l'univers connu comme le miroir d'un « univers-ombre »^[1] et communicant uniquement grâce à la gravitation.

Le premier scientifique à avoir mentionné la possibilité d'un univers double fut le physicien soviétique Andreï Sakharov en 1967^[2], bien que la théorie de Born-Infeld (1934) puisse être considérée comme une forme d'univers bimétrique^[3].

Se présentant comme une extension de la relativité générale^[4], ce modèle remet en cause de nombreux pré-requis du modèle standard (comme la constance de la vitesse de la lumière ou l'existence de la matière noire dans l'univers observable). Il est basé sur le groupe de Poincaré, la relativité et la mécanique quantique.

Étant donné qu'il contredit plusieurs éléments majeurs du paradigme du modèle cosmologique standard actuel (2010), ce modèle est encore peu étudié par les scientifiques et les contributions restent pour l'instant modestes. Cela explique la diversité des noms qui le désignent^{[réf. nécessaire]}.

Naissance du modèle

Les paradoxes du modèle standard

La violation de la parité matière-antimatière

L'énigme de l'antimatière (« pourquoi n'y a-t-il que peu d'antimatière dans l'univers ? », ou en d'autres termes « pourquoi est-ce la matière qui l'a emporté sur l'antimatière ? ») a également débouché pour quelques-uns sur l'hypothèse d'un univers parallèle. La physique avance la raison de la violation de la symétrie CP, tandis que la métaphysique invoque le principe anthropique, mais aucune n'explique de cause fondamentale de cette asymétrie entre matière et antimatière, puisque si la matière et l'antimatière sont nées de la même énergie mère, on les imaginerait au contraire créées en proportions égales, l'univers n'ayant pas de préférence.

La masse manquante de l'univers

La matière noire peut être due à ce manquement.

L'expansion accélérée de l'univers

En cosmologie, l'expansion de l'Univers est le nom du phénomène qui voit à grande échelle les galaxies s'éloigner les unes des autres. Cet écartement mutuel, que l'on pourrait prendre pour un mouvement des galaxies dans l'espace, s'interprète en réalité par un gonflement de l'espace lui-même, les objets célestes étant de ce fait amenés à s'éloigner les uns des autres (voir plus bas). À plus petite échelle, l'expansion n'affecte pas la taille des objets.

En 1998, deux équipes d'astronomes , le Supernova Cosmology Project et le High-Z supernovae search team respectivement dirigés par Saul Perlmutter et Brian P. Schmidt sont parvenues au résultat inattendu que l'expansion de l'Univers semblait s'accélérer. Ce résultat est surprenant car il n'existe aucune théorie pour l'interpréter. Il implique en effet l'existence d'une forme inconnue de matière dont la pression serait négative, avec un comportement répulsif et non pas attractif vis-à-vis de la gravitation. Cette forme hypothétique et inhabituelle de matière, de nature inconnue, communément appelée énergie noire ou parfois constante cosmologique^[5], représente à l'heure actuelle un des problèmes non résolus de la cosmologie moderne.

La formation des galaxies

Fourchette de Hubble : diagramme morphologique des galaxies

L'étude de la formation et de l'évolution des galaxies s'intéresse aux processus ayant abouti à la formation d'un univers hétérogène à partir d'une prémisse homogène, à la formation des premières galaxies, à la façon dont les galaxies changent avec le temps, et aux processus qui ont conduit à la grande variété des structures observées parmi les galaxies proches. C'est l'un des domaines de recherche les plus actifs en astrophysique.

Malgré les nombreuses réussites des théories proposées jusqu'à aujourd'hui, elles ne suffisent pas à expliquer la variété des structures que nous observons parmi les galaxies. Celles-ci apparaissent avec une grande variété de formes, depuis les galaxies elliptiques arrondies et sans particularité, jusqu'aux galaxies spirales dont la forme aplatie rappelle celles de crêpes.

La singularité des trous noirs

Au centre d’un trou noir se situe une région dans laquelle le champ gravitationnel et les distorsions de l’espace (on parle plutôt de courbure de l’espace) deviennent infinis. Cette région s’appelle une singularité gravitationnelle. La description de cette région est délicate dans le cadre de la relativité générale puisque celle-ci ne peut décrire des régions où la courbure devient infinie.

De plus, la relativité générale est une théorie qui ne peut pas incorporer en général des effets gravitationnels d’origine quantique. Or quand la courbure tend vers l’infini, on peut montrer que celle-ci est nécessairement sujette à des effets de nature quantique. Par conséquent, seule une théorie de la gravitation incorporant tous les effets quantiques (on parle alors de gravitation quantique) est en mesure de décrire correctement les singularités gravitationnelles.

La description d’une singularité gravitationnelle est donc pour l’heure problématique^[6]. Néanmoins, tant que celle-ci est située à l’intérieur d’un trou noir, elle ne peut influencer l'espace situé hors de l'horizon des évènements, de la même façon que de la matière située à l’intérieur d’un trou noir ne peut en ressortir. Ainsi, aussi mystérieuses que soient les singularités gravitationnelles, notre incapacité à les décrire, signe de l’existence de limitations de la relativité générale à décrire tous les phénomènes gravitationnels, n’empêche pas la description des trous noirs pour la partie située de notre côté visible.

Évolution historique

Suite au paradoxe de la violation de symétrie CP, le physicien soviétique Andrei Sakharov émit en 1967 l'hypothèse de l'existence d'un univers parallèle, où de manière symétrique l'antimatière prédominerait sur la matière. La partition de l'univers fondamental en deux univers parallèles appelés "feuillets"^[7] dans lesquels prédominerait la matière pour l'un et l'antimatière pour l'autre pourrait ainsi réconcilier logique et expérience. Cet univers jumeau serait CPT-symétrique par rapport au nôtre, c'est-à-dire que non seulement la matière y serait remplacée par une antimatière développée par Richard Feynman dans ses diagrammes (symétrie C), mais également la flèche du temps y serait renversée (symétrie T) et serait géométriquement inversée par rapport au nôtre (symétrie P).

Cette hypothèse exotique n'a débouché que sur peu de travaux scientifiques. Parmi les scientifiques qui ont travaillé sur la bimétrie, on trouve notamment Nathan Rosen, Jean-Pierre Petit, Gabriel Chardin, Michael Boris Green, John Henry Schwarz, Abdus Salam (prix Nobel de physique en 1979), ou encore Sabine Hossenfelder.

Un univers bimétrique

Contenu de l'univers ou feuillet connu

La matière baryonique

La matière baryonique désigne toute la matière composée de particules élémentaires appelées baryons. En pratique, cela correspond aux protons, et aux neutrons, auxquels on adjoint implicitement les électrons (qui ne sont pas des baryons, mais des leptons) qui composent les atomes et les molécules et toutes les structures visibles dans l'univers observable (étoiles, galaxies, amas de galaxies, etc.).

L'antimatière de Dirac

Le fond diffus comoslogique

Carte de la sphère céleste montrant les fluctuations (ou anisotropie) du fond diffus cosmologique observées par le satellite WMAP (juin 2003)

En physique classique, le fond diffus cosmologique est le nom donné au rayonnement électromagnétique issu de l'époque dense et chaude qu'a connue l'Univers par le passé, le Big Bang. Bien qu'issu d'une époque très chaude, ce rayonnement a été dilué et refroidi par l'expansion de l'Univers et possède désormais une température très basse de 2,726 K (-267,424 °C). Le domaine de longueur d'onde dans lequel il se situe est celui des micro-ondes, entre l'infrarouge et les ondes radio. Plus précisément, les longueurs d'onde et fréquence typiques du rayonnement sont respectivement 3 mm et 100 GHz.

Le fond diffus cosmologique est une conséquence des scénarios des théories de Big Bang et son existence a été prédite dans ce cadre-là. Sa prédiction remonte à la fin des années 1940, par Ralph Alpher, Robert Herman et George Gamow. Sa découverte, quelque peu fortuite, a été l'œuvre de deux chercheurs des laboratoires de Bell, Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson, en 1964. Tous deux ont été récompensés du Prix Nobel de physique en 1978.

Le fond diffus cosmologique est un sujet de recherche extrêmement actif du fait qu'il donne un aperçu de l'Univers tel qu'il était très peu de temps après le Big Bang (environ 380 000 ans plus tard). En particulier, ce rayonnement présente d'infimes variations de température et d'intensité avec la direction, qui permettent d'obtenir quantité d'informations sur l'Univers jeune et sur son contenu actuel. Les premières fluctuations de température du fond diffus cosmologique ont été mises en évidence par le satellite artificiel Cosmic Background Explorer en 1992 et ont valu au responsable de l'instrument ayant permis cette découverte, George Fitzgerald Smoot le Prix Nobel de physique 2006, qu'il partagea avec le responsable d'un autre instrument du satellite, John C. Mather.

Ce faible rayonnement est aussi connu sous le nom de « rayonnement fossile » ou « rayonnement à 3 K » (en référence à sa température). Aucun de ces noms ne correspond exactement à sa traduction anglaise de Cosmic Microwave Background Radiation ou désormais Cosmic Microwave Background (littéralement « (rayonnement) micro-onde de fond cosmique »). En français, l'abréviation la plus couramment utilisée pour le nommer est CMB, issu de l'anglais. On trouve également les abréviations anglaises CMBR et françaises FDC (plus rarement).

Les neutrinos cosmologiques

Le fond cosmologique de neutrinos représente l'ensemble des neutrinos qui ont été produits lors du Big Bang. Ils représentent en nombre et en énergie totale la très grande majeure partie des neutrinos de tout l'univers. L'énergie individuelle des neutrinos cosmologique est par contre très faible. Elle est du même ordre que celle des photons du fond diffus cosmologique, soit environ 0,2 milliélectron-volt si leur masse est nulle. La détection du fond diffus cosmologique s'avère donc effroyablement difficile : il n'existe pas de moyen efficace permettant de faire intéragir des neutrinos aussi peu énergétiques avec un type de détecteur connu^[8].

Contenu de l'« univers-ombre »

La matière gémellaire

La matière-ombre ou « gémellaire » est une forme d'antimatière comportant une charge électrique et une masse négatives mais un spin (moment angulaire de l'antiparticule) positif.

Cette matière de l'« univers-ombre » se concentre selon d'immenses conglomérats, rayonnant dans l'infrarouge et le rouge très sombre, structurés comme d'énormes protoétoiles sphéroïdales, mais dont le temps de refroidissement excède ainsi l'âge de l'univers.

La vitesse d’agitation thermique de ces gigantesques protoétoiles crée une force centrifuge si importante qu'elle les empêche de se contracter davantage afin de provoquer une réaction de fusion. Par conséquent, cet univers ne comporte ni étoile, ni planète, ni vie ; uniquement de l’hydrogène et de l’hélium gémellaires primitifs apparus après le « Twin Bang ».

L'antimatière de Feynman

L'antimatière dite « de Feynman » est une forme d'antimatière comportant une charge électrique, une masse et un spin négatifs.

Les photons de masse négative

Interactions entre les deux univers

Gravitation et antigravitation

Le contenu matériel de chaque feuillet est soumis à la loi de la gravitation. Ainsi, ce moyen de communication entre les deux univers étant le seul possible dans des conditions de pression et de température faible, la matière de l'un repousse la matière de l'autre. En revanche, entre les deux univers, la gravité est répulsive, ce qui s'explique par effet de symétrie entre masses positives et négatives (ce qui est vrai dès qu'il y a symétrie et interaction gravitationnelle)^[9]. Cette symétrie engendre ainsi une répartition hétérogène de leurs éléments constitutifs spécifiques^{[réf. nécessaire]}.

Les ponts hyperspatiaux (« Trous noirs »)

Dans le modèle standard, Lorsqu'une étoile a neutrons dépasse la limite de stabilité, les neutrons aux contact qui la composent "se brisent" et l'étoile a neutrons s'effondre a cause de la trop forte gravité due a sa masse. l'effondrement gravitationnel conduit au trou noir, dont le centre est une singularité ou température, densité et courbure de l'espace-temps ... sont infinies. Dans le modèle bi-Métrique, Lorsqu'une étoile a neutrons dépasse la limite de stabilité, les neutrons au contacts qui la composent "se brisent", et alors l'étoile perce l'espace-temps, formant un pont hyperspatial (au delà des espaces) et chute dans l'univers-ombre. Ce processus dure très peu de temps, mais comme plus le temps ralenti avec la puissance de la gravité, ce phénomène est quasiment figé dans notre temps. Pour l'étoile a neutrons, cette étape de sa vie ne dure que quelques secondes au plus, mais pour un observateur situé hors de son champ gravitationnel, cela dure des millions, voire des milliards d'années. Au final, lorsque l'étoile est passée, la matière environnante qui formait un disque d'accrétion autour de l'étoile se trouve expulsé au loin a cause de l'attraction gravitationnelle de l'étoile, qui du fait de sa nouvelle position est désormais répulsive pour nous. le disque s'éloigne donc, mais s'auto-attire, formant un nuage annulaire. La découverte d'un tel astre formerait donc une certaine preuve de l'existante du second univers.

La formation des grandes structures dans l'univers

Le Twin Bang et l'avenir des univers

Selon les calculs effectués sur le modèle bi-métrique par le physicien Jean-Pierre PETIT, Le système gravitationnel entre les deux univers est instable, et, au final, L'univers-ombre s'effondrera sur lui-même (scénario big crunsh) tandis que notre univers verra son expansion devenir exponentielle, finissant par rendre les interactions fondamentales inefficaces et sonner le glas des molécules, atomes, noyaux nucléaires (scénario big rip)

Les fluctuations de densité dans l'univers

La formation et la forme des galaxies

Viabilité et pertinence du modèle

Remplissage des critères

Plusieurs observations viennent étayer cette théorie (cf ci-dessous).

Perturbations du décalage vers le rouge

Un moyen pour prouver l’existence d'un autre univers serait de mesurer une variation de la constante de Hubble. Sur une longueur suffisante, celle-ci aurait une forme sinusoïdale oscillant autour de la valeur moyenne donnée par le modèle standard. Pour mesurer cette variation, deux méthodes peuvent être utilisées :

• Comparer la distance des galaxies éloignées obtenue grace au redshift et une autre constante, par exemple grâce aux étoiles céphéides. Cette méthode est actuellement très difficile à appliquer aux objets très lointains^{[réf. nécessaire]} ;
• Comparer le redshift entre des couples de galaxies partiellement masquées l'une par l'autre, ce qui soulignerait leur différence d'éloignement. Observer un décalage vers le rouge contraire à celui prédit par le modèle standard serait révélateur. Certaines galaxies de l'atlas d'Halton Arp peuvent être interprétées dans ce sens^{[réf. nécessaire][10], [11]}.

L'anomalie Pioneer

Vue d'artiste d'une sonde Pioneer hors du système solaire

Le ralentissement des sondes Pioneer X et XII à la sortie du système solaire est ici expliqué par l'effet répulsif de la quantité de masse négative qui s'accroît faiblement de façon constante en s'éloignant du soleil^[12]. De plus, cela tendrait à invalider l'existence de la matière noire^[13].

Perspectives d'application

En astronautique

Critiques

Les différences avec le modèle cosmologique standard

• L'univers n'aurait pas connu d'inflation cosmique ;
• La matière noire n'existe pas dans ce qui est observable ;
• La structure de l'univers est lacunaire ;
• L'univers n'est pas isotrope ;
• L'univers n'est pas un continuum ;
• Les constantes de la physique ne seraient pas des constantes absolues, mais relatives.

Annexes

Notes

Références

Bibliographie

• (en) Andreï Sakharov, CP violation and baryonic asymmetry of the Universe. ZhETF Pis'ma 5, 32-35, 1967, Traduction JETP Lett. 5 : 24-27 (1967) ;
• (en) Andreï Sakharov, A multisheet Cosmological Model" Preprint Institute of Applied Mathematics, Moscou, 1970 ;
• (en) Andreï Sakharov, Topological structure of elementary particles and CPT asymmetry in "Problems in Theoretical Physics", dedicated to the memory of I.E.Tamm, Nauka, Moscou, 1972, pp. 243-247 ;
• (en) Andreï Sakharov, Cosmological Model of the Universe with a time-vector inversion. ZhETF 79, 689-693 (1980), Traduction in Sov. Phys. JETP 52 : 349-351, 1980 ;
• Jean-Pierre Petit, On a perdu la moitié de l'Univers, Hachette Littérature, coll. « Pluriel », 2 janvier 2001 (ISBN 978-2012789357) .

Liens internes

• Interaction gravitationnelle de l'antimatière
• Univers parallèle
• Hyperespace

Liens externes

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