Sujet Chez Messier, Brahé et Galilée : la taverne du gentleman astronome

L'univers, né d'un trou noir

Selon un scénario récent, l'effondrement d'un trou noir dans un univers à quatre dimensions aurait précédé le Big Bang et donné naissance à notre Univers. Mais d'où vient l'univers dont le nôtre serait issu ?

Niayesh Afshordi, Robert Mann et Razieh Pourhasan
11 octobre 2017| DOSSIER POUR LA SCIENCE N° 97| Temps de lecture : 11 mn

Dans le livre VII de La République, Platon développe l'allégorie de la caverne. Il imagine la perception du monde par des individus enchaînés depuis toujours face à un mur au fond d'une sombre caverne. Derrière eux, une flamme projette l'ombre de différents objets sur le mur. Ces ombres bidimensionnelles sont les seules choses que les prisonniers aient jamais vues – elles sont leur seule réalité. Leurs chaînes les ont empêchés de voir le monde réel, qui a une dimension de plus que le monde qu'ils connaissent, une dimension riche de complexité dont la connaissance leur permettrait de comprendre ce qu'ils voient. Et si les cosmologistes étaient les prisonniers de Platon ? Vivons-nous dans une gigantesque caverne cosmique, créée aux tout premiers instants de l'Univers ?

Dans le scénario classique, l’Univers émerge d’un Big Bang issu d’un état infiniment dense. Ce scénario explique de nombreuses observations et offre une vision cohérente du monde que nous voyons. Mais ce modèle a ses limites qu’il est crucial de comprendre et de chercher à dépasser.

Nous nous sommes intéressés à la question du commencement du Big Bang, qui recèle une partie de ces difficultés, et nous avons élaboré un scénario alternatif. Dans ce dernier, l’Univers remonterait à une époque antérieure au Big Bang, où il existait une dimension spatiale supplémentaire. Ce proto-univers pourrait avoir laissé des traces visibles que de prochaines observations astronomiques révéleront peut-être.

L’Univers nous paraît occuper trois dimensions d’espace et une de temps, une géométrie que nous qualifierons d’« univers tridimensionnel ». Dans notre scénario, cet univers tridimensionnel ne serait que l’ombre d’un monde à quatre dimensions spatiales. Plus précisément, l’Univers serait né par l’effondrement d’une étoile en fin de vie quelque part dans ce proto-univers. L’implosion aurait créé un trou noir quadridimensionnel, dont l’enveloppe tridimensionnelle serait notre Univers. Ce modèle semble extravagant ; il est pourtant solidement ancré dans les mathématiques qui décrivent l’espace et le temps.

Ces dernières décennies, les physiciens ont développé une théorie, dite du principe holographique, qui présente une analogie avec l’holographie classique – qui permet d’enregistrer les informations d’un volume sur une surface à deux dimensions. Le principe holographique a conduit à l’élaboration de techniques mathématiques grâce auxquelles les physiciens traduisent une situation complexe en une autre plus simple à décrire. Ce genre de transformation mathématique s’accompagne d’un changement du nombre de dimensions d’espace entre les deux descriptions. Par exemple, les chercheurs peuvent résoudre des équations de la dynamique des fluides en deux dimensions, et utiliser ces solutions pour comprendre ce qui se passe dans un système beaucoup plus complexe, tel qu’un trou noir tridimensionnel. Mathématiquement, les deux descriptions sont interchangeables ; le fluide est un analogue parfait du trou noir.

Holographie et trous noirs

Les succès du principe holographique sont tels que de nombreux physiciens y voient plus qu’une simple transformation mathématique. Peut-être les règles du cosmos sont-elles écrites dans un autre jeu de dimensions et traduites dans les trois que nous percevons. Peut-être, comme les prisonniers de Platon, croyons-nous à tort que l’espace est tridimensionnel alors qu’en réalité, il existe une quatrième dimension dont la prise en compte permettrait de mieux comprendre l’Univers.

Le second intérêt de cet univers quadridimensionnel est que son étude détaillée pourrait nous aider à répondre à des questions cruciales sur l’origine et la nature du cosmos. Prenons par exemple le Big Bang. Il aurait été immédiatement suivi par l’« inflation », une période d’expansion rapide de l’espace au cours de laquelle le volume de l’Univers primordial a été multiplié d’un facteur 1078, voire beaucoup plus. Mais cet événement n’apporte aucune information sur l’origine du Big Bang et pose lui-même des questions. En revanche, notre scénario d’univers quadridimensionnel nous dit comment le Big Bang a commencé et se dispense de l’inflation.

Les cosmologistes décrivent l’histoire de l’Univers – en partant d’aujourd’hui et en remontant jusqu’à une fraction de seconde après le Big Bang – à partir de quelques équations (dont celles de la relativité générale) et cinq paramètres indépendants. Ces paramètres incluent les densités de la matière ordinaire, de la matière noire et de l’énergie sombre, ainsi que l’amplitude et la forme des fluctuations quantiques dans l’Univers primordial. Ce modèle cosmologique décrit avec succès de nombreuses observations qui correspondent à des milliers de points de mesure, couvrant des échelles allant de un million à dix milliards d’années-lumière, jusqu’à la limite de l’Univers observable.

Cependant, ces succès observationnels ne doivent pas cacher nos lacunes : l’histoire de l’Univers est criblée de trous gênants. Nous sommes confrontés à des questions fondamentales sur la nature du cosmos, des problèmes auxquels jusqu’à maintenant nous n’avons pas été capables de répondre.
Par exemple, si l’on considère le contenu de l’Univers, les observations cosmologiques ont montré que la matière ordinaire ne représente que l’équivalent de 5 % de la densité totale d’énergie de l’Univers. La matière noire, une forme inconnue de matière dont on déduit l’existence à partir de ses effets gravitationnels, représente 25 %. Et les 70 % restants de l’Univers sont constitués d’énergie sombre, de nature non identifiée et qui serait à l’origine de l’accélération de l’expansion de l’Univers.

Diverses hypothèses ont été proposées quant à la nature de la matière noire et de l’énergie sombre, ainsi qu’à leurs proportions respectives. Mais aucune n’explique pourquoi leurs caractéristiques doivent être si finement ajustées pour être en accord avec les observations.
Le contenu de l’Univers n’est pas la seule source de questions. Depuis des décennies, les cosmologistes étudient le rayonnement du fond diffus cosmologique, rayonnement émis alors que l’Univers était âgé de 380 000 ans et qui garde l’empreinte des fluctuations de densité de l’Univers primordial (voir L’étrange affaire Univers, par A. Riazuelo, page 16). Les observations du fond diffus par le satellite Planck de l’Agence spatiale européenne montrent que la température correspondant à ce rayonnement est uniforme dans tout le ciel ; les variations sont de faible amplitude, de l’ordre de une partie pour 60 000. En considérant les distances qui séparent les différentes régions et la vitesse d’expansion de l’Univers, certaines de ces régions n’ont été à aucun moment en contact ; comment alors expliquer cette uniformité ?

L’étude du fond diffus cosmologique montre aussi que l’Univers a une courbure spatiale plate à grande échelle : la géométrie est euclidienne. Pourquoi l’Univers est-il dans cette configuration particulière ? Pourquoi sa géométrie n’est-elle pas sphérique ou hyperbolique ?

Inflation énigmatique

sibles avec une meilleure compréhension du Big Bang. En particulier, on imagine mal comment l’Univers des premiers instants après le Big Bang a pu donner lieu à celui que nous observons aujourd’hui – un cosmos à la température presque uniforme et dont l’espace est euclidien.

L’inflation est une approche efficace pour expliquer la structure à grande échelle de l’Univers, car elle aurait eu tendance à « aplatir » l’Univers, lissant toutes les régions incurvées de l’espace-temps. Grâce à cette expansion rapide, certaines régions de l’Univers, qui semblaient trop éloignées pour avoir été en contact, ont pu l’être, ce qui explique l’homogénéité de température du fond diffus cosmologique. Et, telle une loupe cosmique, l’inflation a amplifié les minuscules fluctuations quantiques de densité jusqu’à des tailles cosmiques. Ces fluctuations sont devenues les germes à partir desquels des structures telles que les galaxies et les étoiles ont émergé.

L’inflation est donc un paradigme très fructueux. Mais comment se serait déclenché le phénomène, qui nécessitait beaucoup d’énergie. Selon le modèle standard, l’Univers primordial aurait pu contenir cette énergie sous la forme d’inflatons, des particules hypothétiques. Mais ces inflatons ne résolvent pas pour autant nos problèmes ; ils les repoussent juste d’un cran.

Il nous manque aussi une description satisfaisante de l’histoire de notre cosmos avant l’inflation, cette première 10–36 seconde après le Big Bang (voir l’avant-propos, par E. Klein, page 10). Ici, les phénomènes quantiques deviennent si importants que les équations de la relativité générale ne sont plus appropriées. Une théorie quantique de la gravitation est requise, et elle manque encore.

Le plus grand défi de la cosmologie est de comprendre le Big Bang lui-même, l’émergence subite et violente de l’espace, du temps et de toute la matière à partir d’un état infiniment dense nommé singularité. Une telle singularité rend caduques toutes les lois de la physique. Nous n’avons pas les outils pour décrire ce qui s’y passe et nous n’avons aucune raison de penser qu’une singularité engendrerait un univers ordonné comme celui que nous voyons. On s’attendrait plutôt à l’émergence d’un univers extrêmement chaotique, dont le fond diffus cosmologique serait marqué par d’énormes fluctuations de température d’un point à un autre.

L’inflation serait-elle suffisante pour lisser les fluctuations ? De surcroît, si ces fluctuations sont trop grandes, l’inflation pourrait-elle s’amorcer ? Les problèmes d’une singularité ne peuvent pas être résolus par la seule inflation.

Les singularités sont étranges, mais elles ne nous sont pas tout à fait inconnues. En effet, il s’en forme également au centre des trous noirs, ces vestiges d’étoiles géantes effondrées (voir la figure ci-dessous). Toutes les étoiles sont des fournaises nucléaires où fusionnent les éléments légers, principalement de l’hydrogène. Ce processus de fusion nucléaire alimente une étoile pendant la majeure partie de son existence et s’oppose à l’effondrement gravitationnel. Cependant, quand l’astre a épuisé tout son combustible nucléaire, la gravité prend le dessus : c’est la fin de sa vie. Une étoile au moins dix fois plus massive que le Soleil s’effondre sur elle-même avant d’exploser en supernova. Si l’étoile est encore plus grosse, plus de 15 masses solaires, la supernova laisse derrière elle un cœur dense dont rien n’arrête l’effondrement. Il se contracte jusqu’à un point de taille nulle : une singularité qui forme un trou noir.

La singularité du trou noir est cachée par une surface bidimensionnelle nommée horizon des événements. Ce dernier marque une limite de non-retour : toute matière qui franchit cette frontière ne peut plus revenir en arrière et s’échapper du trou noir, car il lui faudrait une vitesse supérieure à celle de la lumière. La matière et même la lumière sont alors inexorablement attirées vers la singularité. L’intérieur de l’horizon des événements est coupé du reste de l’Univers.

L'horizon du Big Bang

is de la physique ne s’appliquent plus à la singularité du trou noir. Mais à l’inverse du Big Bang, un trou noir est entouré d’un horizon des événements. Cette surface empêche toute information concernant la singularité de fuir et protège les observateurs extérieurs des effets catastrophiquement imprévisibles de la singularité (on parle de censure cosmique).

Enveloppée par un horizon des événements, la singularité ne perturbe pas les lois de la physique qui décrivent et prédisent tout ce que l’on observe à l’extérieur de ces « enveloppes ». Vu de loin, un trou noir est une structure très simple, lisse et uniforme, définie par sa masse, son moment cinétique et sa charge électrique. De façon imagée, les physiciens disent que « le trou noir n’a pas de cheveux » : il n’a aucun signe distinctif en dehors des trois grandeurs citées.

En revanche, la singularité du Big Bang (telle qu’on la comprend) n’est pas masquée par un horizon des événements. C’est ce constat qui nous a mis sur la piste de notre modèle. Nous avons cherché un moyen de nous abriter de la singularité du Big Bang et de son imprévisibilité catastrophique, peut-être avec quelque chose qui s’apparente à un horizon des événements.

Dans notre scénario, l’enveloppe qui entoure la singularité du Big Bang se distingue d’un horizon des événements par une caractéristique essentielle. Puisque nous percevons que notre Univers a trois dimensions spatiales et que celui-ci émerge du Big Bang, l’enveloppe de la singularité au cœur du Big Bang doit également avoir trois dimensions spatiales, et non deux comme l’horizon des événements d’un trou noir.

Effondrement extradimensionnel

Cependant, pour que l’horizon des événements soit tridimensionnel, l’objet qui s’effondre en trou noir doit nécessairement avoir une dimension d’espace supplémentaire. Ce scénario implique donc que l’objet en question existe dans un univers doté de quatre dimensions d’espace.

L’idée de modèles à dimensions supplémentaires, où le nombre de dimensions d’espace excède les trois qui nous sont évidentes, est presque aussi ancienne que la relativité générale elle-même. Elle a été initialement proposée par le physicien allemand Theodor Kaluza en 1919, et étendue par le Suédois Oskar Klein dans les années 1920. Leur idée initiale était d’unifier dans un même formalisme l’électromagnétisme et la relativité générale.

L'incroyable bulk

l’idée de dimensions supplémentaires n’a retrouvé un réel élan que dans les années 1980, avec le développement de la théorie des cordes. Plus récemment, les scientifiques l’ont utilisée pour construire une cosmologie des univers dits branaires.

L’idée essentielle d’un univers branaire est que notre Univers tridimensionnel est un sous-univers qui s’inscrit dans un univers plus vaste, ayant quatre dimensions spatiales ou plus. L’Univers tridimensionnel est ce qu’on nomme une brane, et l’univers de dimensionnalité supérieure est l’espace complet, ou bulk en anglais. Toutes les formes connues de matière et d’énergie sont emprisonnées dans notre brane à trois dimensions. L’exception est la gravité, qui se propage dans l’ensemble du bulk.

Dans notre scénario, le bulk est notre univers à quatre dimensions. Il est rempli d’objets tels que des étoiles, des galaxies quadridimensionnelles, etc. Une de ces étoiles en fin de vie pourrait alors s’être effondrée pour former un trou noir, selon le même mécanisme qui est à l’œuvre dans notre Univers à trois dimensions.

À quoi ressemblerait un trou noir quadridimensionnel ? Il serait lui aussi doté d’un horizon des événements, une surface de non-retour ne laissant s’échapper aucune matière ou lumière. Mais au lieu d’être une surface bidimensionnelle comme pour les trous noirs ordinaires, cet horizon des événements serait une région tridimensionnelle.

Plus intéressant, en modélisant l’effondrement d’une étoile quadridimensionnelle à l’aide du principe holographique, nous avons remarqué que, dans des circonstances très diverses, la matière éjectée lors de l’effondrement stellaire peut former une brane à trois dimensions spatiales sur cet horizon des événements tridimensionnel. Et cette brane est en expansion lente. Notre Univers serait cette brane à trois dimensions spatiales, et correspondrait à un hologramme d’un astre quadridimensionnel s’effondrant en trou noir. La singularité du Big Bang cosmique nous est alors cachée, enfermée pour toujours derrière un horizon des événements tridimensionnel.

Notre modèle a un certain nombre d’arguments en sa faveur, à commencer par le fait qu’il élimine la singularité nue qui a donné naissance à l’Univers. Mais qu’en est-il des autres problèmes cosmologiques, tels que la géométrie presque plate et la grande uniformité du cosmos ? Notre scénario n’a plus besoin de l’inflation : l’univers quadridimensionnel étant plus ancien que ne l’impose le modèle du Big Bang pour notre Univers, tous les points de l’univers ont pu être en contact et auraient eu le temps d’atteindre l’équilibre. Si l’univers complet est homogène, alors notre Univers à trois dimensions spatiales a pu hériter de cette homogénéité. Par ailleurs, plus la masse de l’étoile quadridimensionnelle est importante, plus la brane qu’elle engendre a une géométrie plate, d’où l’on peut conclure que notre Univers est plat parce qu’il émerge de l’effondrement d’une étoile très massive.

Ainsi, notre modèle de Big Bang holographique non seulement résout les principales énigmes de la cosmologie standard (l’uniformité et la géométrie presque plate) sans recourir à l’inflation, mais il supprime aussi les effets délétères de la singularité initiale.

La question essentielle qui subsiste est : peut-on savoir si ce scénario est correct ? Une des possibilités est d’étudier les détails du rayonnement du fond diffus cosmologique. À l’extérieur de notre brane, l’espace complet contient de la matière, qui serait attirée dans le voisinage du trou noir du fait de l’attraction gravitationnelle. Nous pouvons montrer que ce supplément de matière crée des fluctuations sur la brane qui vont à leur tour déformer le fond diffus dans des proportions faibles, mais mesurables. Nos calculs dans le cadre de ce scénario diffèrent d’environ 4 % par rapport aux dernières données du satellite Planck. Mais cette variation peut aussi être la conséquence d’effets secondaires que nous n’avons pas encore correctement modélisés.

Un scénario à tester

De plus, si le trou noir quadridimensionnel est en rotation (comme beaucoup de trous noirs de notre univers), alors notre brane pourrait ne pas être identique dans toutes les directions. La structure à grande échelle de notre Univers présenterait de petites différences selon les directions d’observation. Les astronomes pourraient aussi détecter cette anomalie en étudiant les variations subtiles dans le fond diffus cosmologique.
Bien sûr, en même temps qu’il résout la question de l’origine de notre Univers, notre scénario soulève de nouvelles questions. En premier lieu : d’où est issu l’univers qui a donné naissance au nôtre ?

Pour résoudre cette énigme, Platon nous aide une fois de plus. Quand ses prisonniers émergent de leur caverne, la lumière du Soleil les éblouit et ils ne comprennent pas ce qui les entoure. Ils mettent longtemps à s’habituer à la luminosité. Au début, les prisonniers sont juste capables de distinguer les ombres et les reflets. Mais bientôt ils voient aussi la Lune et les étoiles. Enfin, ils arrivent à voir le Soleil et ce que sont le jour, la nuit et les saisons. Ils comprennent aussi la nature des ombres qu’ils voyaient, mais sans savoir d’où vient la puissance du Soleil, tout comme nous ne comprenons pas l’univers complet quadridimensionnel. Mais au moins ils savent où chercher les réponses.