Astrophysique : la théorie audacieuse d'un "anti-univers" où le temps recule

L'image la plus courante que nous avons du Big Bang est celle d'un univers en expansion à partir d'un point.

Mais que se passe-t-il si cet univers n'est que le jumeau d'un autre univers qui s'est formé en même temps à ce point et qui s'est développé dans la direction opposée ?

C'est la proposition audacieuse récemment publiée par un groupe de cosmologistes du Perimeter Institute, un institut de physique théorique, au Canada.

Et ils sont allés plus loin.

Dans l'anti-univers qu'ils proposent, comme il se déplace dans la direction opposée au nôtre, le temps se déplace également dans la direction opposée.

Cette hypothèse, aussi complexe qu'elle puisse paraître, est une tentative de ses auteurs d'expliquer, de manière plus simple et plus "économique", plusieurs mystères du cosmos, dont l'énigmatique matière noire.

De l'autre côté du miroir

Deux concepts sont essentiels pour comprendre l'idée d'un anti-univers.

La première concerne le modèle standard de la physique des particules, la théorie qui décrit les particules fondamentales dont l'univers est constitué et les forces qui les font interagir les unes avec les autres.

Selon le modèle standard, chaque fois qu'une particule de matière apparaît, sa contrepartie d'antimatière, une particule identique avec une charge différente, apparaît également.

Cela signifie que la même quantité de matière et d'antimatière a été produite lors du Big Bang.

Et le deuxième concept est celui de la symétrie.

En cosmologie, ce principe indique que tout processus physique reste le même, si le temps recule, si l'espace est inversé ou si les particules sont remplacées par des antiparticules.

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Sur la base de ces deux principes, l'analogie que l'on pourrait faire est que, tout comme il existe un univers, on pourrait s'attendre à ce qu'il existe un anti-univers symétrique à celui que nous connaissons.

Symétrie

Dans une étude récente menée par le Perimeter Institute, les auteurs se sont penchés sur un type de symétrie appelé CPT, les initiales pour charge, parité et temps.

Cette symétrie indique que si la charge, l'image et le temps d'une interaction entre particules sont inversés, l'interaction se comportera de la même manière.

Ainsi, la symétrie qui s'applique aux particules, selon les auteurs de l'étude, pourrait également s'appliquer à l'univers dans son ensemble, ouvrant la possibilité d'un univers symétrique.

"L'univers dans son ensemble est symétrique par rapport à la CPT", écrivent les auteurs dans leur recherche.

Selon cette hypothèse, le Big Bang est un point de départ d'où proviennent l'univers et son image miroir.

"Nous suggérons que l'univers avant le Big Bang est l''anti-vers' de l'univers après le Big Bang", déclarent les auteurs.

A quoi ressemble cet anti-univers ?

Latham Boyle, l'un des co-auteurs de l'étude, prévient qu'il n'est pas certain de l'hypothèse de l'anti-univers et que ses propositions devront être testées expérimentalement.

Mais il pense que ses calculs lui donnent quelques indices.

"Jusqu'à présent, nous pensons que l'anti-vers est une véritable image miroir reflétée dans le temps, avec des particules et des anti-particules échangées", a déclaré Boyle à la BBC.

Selon ce point de vue, l'anti-vers n'est pas un univers indépendant, mais simplement un reflet de notre univers.

"Nous avons un 'anti-self' dans l'autre univers, mais il n'est pas indépendant. Si tu choisis de manger des œufs au petit-déjeuner, ta version de l'anti-verse ne peut pas choisir de manger du bacon au petit-déjeuner. Si tu prends des œufs au petit-déjeuner, il devra prendre des anti-œufs au petit-déjeuner", explique M. Boyle.

Et le temps dans l'anti-univers ?

Selon la proposition de Boyle et de ses collègues, le Big Bang est comme un miroir qui inverse non seulement l'image, mais aussi le sens du temps.

Des deux côtés de l'univers, le temps s'éloigne du Big Bang, mais d'un côté la flèche du temps va vers la droite, et de l'autre elle va vers la gauche.

"Chaque côté de l'univers pense que c'est parfaitement normal. Ils croient tous les deux que leur temps est en train d'avancer. De notre point de vue, dans l'anti-vers, le temps recule, mais pour eux, c'est nous qui allons dans l'autre sens", dit M. Boyle.

Son idée offre une autre possibilité époustouflante : c'est peut-être nous qui sommes dans l'anti-univers et qui ne le savons pas.

Et une autre question que vous vous posez peut-être : est-il possible de voyager dans cet anti-univers ?

"Nous ne pouvons pas passer de l'autre côté du miroir. Pour cela, il faudrait pouvoir voyager dans le passé. Autrement dit, il faudrait voyager dans l'espace-temps, traverser la singularité du Big Bang et ressortir de l'autre côté", dit M. Boyle.

Solutions minimalistes

Mais au-delà de ces idées proches de la science-fiction, les travaux de M. Boyle et de ses collègues proposent également des solutions à des problèmes plus pratiques de physique et de cosmologie.

Leur proposition offre un aperçu stimulant de trois concepts fondamentaux de la cosmologie : la matière noire, l'inflation après le Big Bang et les ondes gravitationnelles.

La matière noire est un ingrédient mystérieux qui constitue 25 % de l'univers, mais jusqu'à présent, personne n'a pu observer ce qu'elle est ou de quoi elle est faite.

La matière noire, en revanche, se remarque par l'influence gravitationnelle qu'elle exerce sur le cosmos.

Au fil des ans, les scientifiques ont proposé plusieurs théories pour expliquer ce qu'est la matière noire, mais personne n'a encore trouvé de réponse convaincante.

Selon quelques-unes des réponses possibles, la matière noire est constituée d'une particule que nous ne connaissons pas encore, c'est-à-dire qu'elle est en dehors du modèle standard.

L'étude de M. Boyle offre toutefois une réponse "moins coûteuse" à l'énigme de la matière noire.

Sa proposition est que pour expliquer la matière noire, il n'est pas nécessaire d'imaginer de nouvelles particules.

La réponse pourrait être que la matière noire est composée de "neutrinos droitiers", une variété de neutrinos, un type de particule qui fait partie du modèle standard, pense M. Boyle.

L'existence des "neutrinos droitiers" n'a pas encore été prouvée, mais selon M. Boyle, de nombreux scientifiques s'accordent à dire qu'ils pourraient faire partie du modèle standard.

M. Boyle s'épargne ainsi l'effort de spéculer sur de nouvelles particules et trouve la réponse dans les lois de la physique que nous connaissons déjà.

Jusqu'à présent, les neutrinos connus sont "gauchers", en référence à la direction dans laquelle ils tournent.

Mais dans un univers symétrique, on s'attendrait à ce qu'un neutrino droit, c'est-à-dire un antineutrino, existe également, selon l'astrophysicien Paul Sutter, dans un article du portail Live Science, dans lequel il passe en revue l'étude de M. Boyle.

Ces neutrinos droitiers seraient largement invisibles et ne pourraient être détectés que par la gravité.

"Une particule invisible qui inonde l'univers et n'interagit que par le biais de la gravité ressemble beaucoup à la matière noire", explique M. Sutter.

Joseph Formaggio, un physicien qui étudie le rôle des neutrinos en cosmologie, dit trouver intéressante la proposition de M. Boyle pour expliquer la matière noire.

"J'aime son modèle minimaliste", déclare à la BBC M. Formaggio, qui n'a pas participé à la recherche.

"Habituellement, en physique des particules, on peut expliquer beaucoup de phénomènes en introduisant de nouvelles particules, interactions et champs. Il est donc facile de se perdre. Mais cette recherche adopte une approche différente, elle n'apporte rien de plus que ce que nous avons déjà observé", conclut M. Formaggio, qui dirige la division de la physique nucléaire expérimentale et de la physique des particules au Massachusetts Institute of Technology.

M. Formaggio souligne que l'idée de neutrinos à main droite est très répandue, même si l'on ne sait pas s'ils existent.

"Ils sont une nouvelle particule, mais ils n'existent pas vraiment", dit-il en riant.

Pas d'inflation, pas d'ondes gravitationnelles

Enfin, l'étude remet en question l'existence de l'inflation cosmologique et des ondes gravitationnelles primordiales.

Le modèle de M. Boyle remet en question l'existence d'une période d'expansion rapide de l'univers après le Big Bang, un concept connu sous le nom d'inflation.

Cette inflation, à son tour, a pu créer des ondes gravitationnelles primordiales, qui sont des ondulations se propageant dans le tissu de l'espace-temps, comme les ondulations générées par un caillou jeté dans un lac.

La proposition de M. Boyle soutient qu'au lieu de l'inflation, la matière de l'univers s'est étendue de manière moins forcée, sans qu'une "époque inflammatoire" soit nécessaire.

Ainsi, selon ce modèle, s'il n'y a pas eu d'inflation, il n'y a pas eu non plus d'ondes gravitationnelles primordiales.

En 2015, des ondes gravitationnelles ont été détectées pour la première fois. M. Boyle prévient toutefois que celles-ci correspondent à des événements bien plus tardifs que le Big Bang, il ne s'agit donc pas d'ondes gravitationnelles primordiales.