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L'inflation

A la fin des années 70, Alan Guth, un expert en physique des particules, s'intéresse de plus en plus à la cosmologie et surtout aux tous premiers instants du Big Bang. Il décida ainsi, en collaboration avec Henry Tye, de calculer la production de monopoles lors du big bang (Les monopoles font partie des particules hypothétiques employées dans les théories d'unification)
Au bout de quelques mois de calculs, les deux jeunes théoriciens se trouvent faces à d'étonnantes conclusions selon lesquelles, l'univers ne pourrait dépasser l'age de 6000 ans, car les monopoles, présent en grandes quantités aux premiers instants du big bang, auraient freiné l'expansion de l'univers en raison de leur forte masse (10¹⁶ fois la masse du proton), l'univers se serait effondré du fait de l'action gravitationnelle de ces monopoles.
Or il est bien évident que l'univers à plus de 6000 ans. Faut il pour autant réfuter les théories de grande unification ?!
Non ! car nos deux chercheurs ont imaginé un mécanisme empêchant la production de monopoles aux tous premiers instant du big bang. Pour cela ils ont du emprunter à la physique quantique ce qu'on appelle un " faut vide ", en effet il s'agit d'un concept étrange qui sort tout naturellement des équations de physique des particules et qui est fort éloigné de notre expérience quotidienne. Ce " faux " vide contrairement au vide normale est instable et ne peux exister que pendant un très court laps de temps, il est aussi caractérisé par une énergie très élevée et un champ gravitationnel répulsif, une sorte de gravitation " négative " ou antigravitation : remplissez un ballon de faux vide, il se dégonfle !
Les physiciens utilisent aussi le terme " champ scalaire " pour désigner ce faux vide.

Apres un big bang chaud et dense l'univers s'engage dans une période d'expansion et refroidissement continue .
Comme dans chaque système dont le température change, des transitions de phase ont lieu : une transition de phase est un changement abrupt d'une ou plusieurs propriétés physiques d'un système lors d'une variation de la température. Les exemples les plus connus son le gel de l'eau à T=0°C ou l'évaporation de l'eau à 100°C.

10 seconde après le big bang, alors que la température atteignait des proportions énormes, l'univers subit une transition de phase annonçant la fin de l'ère de grande unification durant laquelle toutes les interactions fondamentales (à l'exception de l gravitation) s'unifient.
Sauf que la présence de faux vide a du retarder d'une fraction de seconde cette transition, les monopoles n'auraient donc pas eu le temps de se formé en quantités suffisantes.
L'expansion de l'univers se poursuivant, son refroidissement fait que la transition de phase se produit mais à des conditions ou aucune production de monopoles n'était possible.
Le " séduisant " mécanisme freinant l production de monopoles massifs étant maintenant en place, il reste à nos deux hommes d'explorer les conséquences de la présence du faux vide dans les tout premiers instants de l'univers. Guth introduisit ainsi son faux vide dans les équations standard d'un univers en expansion, il en résulte un univers explosant à partir d'une petite région de faux vide, ainsi plus l'univers se dilate, plus il se crée de faux vide, ce qui engendre une expansion ultra accéléré, avant cette spectaculaire expansion l'univers ne mesurait pas plus de 10^-33 cm. Juste après, son diamètre dépassait déjà 10²⁶ mètres.

Au bout d'un certain temps la transition de phase s'effectue et le faux vide se désintègre en photon, particules de lumière, et laisse la place au vrai vide freinant ainsi la dilatation démesurée de l'univers qui retrouve une expansion uniforme.
Guth baptisera cette phase d'expansion ultra rapide, l'Inflation.
Cette expansion inflationniste présentait d'abord l'avantage appréciable de résoudre plusieurs paradoxes du big bang standard élaboré 50 ans plus tôt.
Par exemple, la platitude presque parfaite de l'univers serait du au fait que nous n'en voyons qu'une infime partie. Tel un moustique à la surface d'un ballon démesurément grand, nous ne percevons plus la courbure du ballon, mais seulement une toute petite région autour de nous qui nous paraît plate.
D'autre part ce gonflement permet de résoudre un autre problème du big bang, celui de l'homogénéité de l'univers. En effet le rayonnement de fond détecté pas Penzias et Wilson en 1965 a révélé un univers parfaitement homogène d'une température moyenne de 2.7 kelvins, chose que le modèle standard ne pouvait expliquer.
Sachant qu'aucune information, aucun signal, ne peut se propager à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière, il existe donc une sorte d'horizon : c'est la distance maximal qu'un signal lumineux peut avoir traversé depuis la naissance de l'univers. Or dans le modèle standard, les calculs montrent que le rayon de l'univers a toujours été plus grand que cette distance d'horizon. Ainsi des régions spatiales éloignées sont causalement déconnectées : aucun signal n'a pu relier ces deux régions depuis la création de l'univers, ces deux régions n'ont donc aucune raison d'être dans un même état thermique.
Dans le scénario inflatoire, l'univers observable est issu d'une région qui est beaucoup plus petite que la région prévue par le modèle du big bang. Les régions les plus éloignées de l'univers qui sont la source du rayonnement de fond que nous détectons, étaient alors en contact, et elles ont eu suffisamment de temps pour atteindre la même température avant que n'intervient l'inflation. Ainsi était résolu le problème de l'horizon.

Peu après, Andrei Linde élabora un nouveau scénario inflatoire "l'inflation éternelle ". En substituant une transition de phase lente à la transition soudain, il avait réussi de gommer certains défauts apparus dans la première version d'Alan Guth.
Cette nouvelle théorie de l'inflation apporta sont lot de surprise : elle engendrait des inhomogénéités à très petites échelles qui ont été énormément étirées et amplifiées, favorisant ainsi le rassemblement de la matière en certains endroits de l'espace, ce qui a permit la création des " grumeaux " desquels sont nés les galaxies et les grandes structures de l'univers. C'est aussi à c'est grumeaux que nous devons d'être là.
Mieux encore, ces hétérogénéités avaient exactement la distribution conduisant à une répartition de galaxies et des amas de galaxies semblable à celle que l'on observe maintenant.
Ces grumeaux sont perceptibles dans le rayonnement de fond cosmologique ou " rayonnement fossile ", émis 300 000 ans après le big bang lorsque l'univers était devenu transparent, ils ont été observés, en 1992, par le satellite COBE (COsmic Background Explorer)… Aussi séduisante soit elle, l'inflation ne règle que partiellement ses propres difficultés.

Enfin, l'inflation n'arrive toujours pas à résoudre la problème des infinis surgissant lors du big bang. Sur ce point la théorie des cordes réussit mieux …