Notes sur le phénomène du Big Bang: inflation, Notes de Astronomie
Caroline_lez
Caroline_lez10 January 2014

Notes sur le phénomène du Big Bang: inflation, Notes de Astronomie

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Notes d'astronomie sur le phénomène du Big Bang: inflation. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Transition de phase, L'ère inflationnaire.
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Phénomène du Big Bang : Inflation

Au temps 10^-43 seconde, la gravitation, qui était jusque là unifiée aux trois autres

interactions, se dissocie. L'Univers est dans un état de vide quantique. La matière ordinaire

n'existe pas, mais il y a une formidable agitation due à la succession de créations et de

disparitions de particules et d'antiparticules virtuelles. Si ce n'est cette fantastique agitation,

rien de particulier ne se passe jusqu'au temps 10^-35 seconde, lorsque sonne l'heure de

la dissociation des interactions forte et électrofaible. C'est à ce moment que va commencer une

phase cruciale, l'ère inflationnaire, pendant laquelle la taille de l'Univers va être multipliée par

un facteur gigantesque.

Le concept de période inflationnaire est relativement récent. Il fut d'abord imaginé au début des

années 1980 par l'Américain Alan Guth, puis développé par d'autres astrophysiciens, en

particulier le Russe Andrei Linde. L'inflation reste la partie la plus spéculative de notre

description du Big Bang et beaucoup d'efforts restent à faire pour qu'elle soit acceptée

unanimement. Cela étant dit, cette nouvelle théorie répond de façon satisfaisante à

plusieurs problèmes cosmologiques qui n'avaient pas trouvé de solution jusque là et dont nous

parlerons plus loin.

Transition de phase

Pour comprendre ce qui se passe, commençons par une analogie. Le comportement de l'Univers

lors de l'inflation rappelle celui de l'eau qui se solidifie et se transforme en glace. Les deux

formes, l'eau liquide et la glace, ont des propriétés très différentes. Par exemple, sous forme

liquide, l'eau n'a pas de structure et prend la forme du récipient qui la contient. Par contre, sous

sa forme solide, elle devient un cristal, un arrangement très régulier de molécules dont la forme

globale est fixée. Une autre différence apparaît au niveau des symétries : l'eau liquide à des

propriétés identiques dans toutes les directions, alors que la glace privilégie les axes selon

lesquels la cristallisation s'est produite.

Dans le langage du physicien, l'eau liquide et la glace sont deux phases différentes et la

transformation de l'une en l'autre s'appelle une transition de phase. Dans des conditions de

refroidissement normales, la cristallisation se produit dès que la température atteint zéro degré

Celsius. Elle se produit alors en douceur avec un lent dégagement d'une certaine quantité

d'énergie appelée la chaleur latente. Il existe cependant un cas particulier appelé la surfusion,

dans lequel les choses se passent différemment. Ainsi, dans un environnement extrêmement

stable, une eau très pure peut être refroidie et atteindre une température négative sans pour

autant se solidifier. Cette situation est néanmoins très instable et il suffit d'agiter légèrement

l'eau pour que la cristallisation s'opère instantanément, avec cette fois-ci une libération très

rapide de la chaleur latente.

L'ère inflationnaire

Le phénomène qui se produit lorsque l'Univers est âgé de 10^-35 seconde est similaire. C'est à

cette époque que les forces forte et électrofaible, jusque là unifiées, se dissocient. On passe

d'une situation symétrique, où les deux forces étaient équivalentes, à une situation

asymétrique, où elles sont distinctes. L'Univers subit donc, comme l'eau qui se solidifie, une

transition de phase. Celle-ci devrait en principe s'opérer immédiatement, mais ce n'est pas ce

qui se passe. L'Univers va d'abord passer par un stade de surfusion. Il va rester pendant une

brève période dans une phase symétrique instable, appelée le faux vide, plutôt que d'adopter

tout de suite la phase asymétrique stable, le véritable vide.

Le faux vide, un état équivalent à l'eau surfondue, se caractérise essentiellement par une très

grande densité d'énergie. Même si l'Univers est complètement vide, il possède alors en tout

point une très grande quantité d'énergie, ce qui va avoir un effet crucial sur son évolution. En

effet, d'après la relativité générale, cette énergie omniprésente va se traduire par une force de

répulsion extrêmement puissante entre tous les points de l'Univers. En conséquence, celui-ci

subit une expansion fantastiquement rapide et brutale, à laquelle on a donné le nom d'inflation.

L'inflation dure jusqu'à ce que l'Univers subisse finalement sa transition de phase. Il atteint

alors un état stable, tout en libérant une formidable quantité d'énergie. Cela se produit à une

époque qui n'est pas encore bien définie, disons vers 10^-30 seconde. Pendant l'ère

inflationnaire, la taille de l'Univers a été multipliée par un facteur 10^50, ce qui est énorme

comparé au rythme actuel de l'expansion. Ainsi, depuis l'apparition des atomes, vers l'âge de

300 000 ans, la taille de l'Univers n'a été multipliée que par un facteur 1000, et cela en 15

milliards d'années.

Remarquons encore que même si l'inflation se produit à un rythme prodigieux, elle ne

transgresse pas la relativité, qui énonce que rien ne se déplace plus vite que la lumière. En

effet, c'est l'espace lui-même qui subit l'inflation. La distance entre deux particules augmente à

un rythme effréné, mais du fait de l'expansion de l'espace. Si des particules se déplaçaient

réellement dans l'espace, leur vitesse devrait être inférieure à celle de la lumière.

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