De retour au premier moment de l'univers, tout était chaud et dense et en parfait équilibre. Il n'y avait pas de particules telles que nous les comprenons, encore moins d'étoiles ou même le vide qui imprègne l'espace aujourd'hui. Tout l'espace était rempli de trucs homogènes, sans forme et compressés.
Puis, quelque chose a glissé. Toute cette stabilité monotone est devenue instable. Matter a vaincu son étrange cousin, l'antimatière, et a fini par dominer l'ensemble de l'espace. Des nuages de cette matière se sont formés et se sont effondrés en étoiles, qui se sont organisées en galaxies. Tout ce que nous savons a commencé à exister.
Alors, que s'est-il passé pour faire sortir l'univers de son état sans forme?
Les scientifiques ne sont toujours pas sûrs. Mais les chercheurs ont trouvé une nouvelle façon de modéliser dans un laboratoire le type de défaut qui aurait pu causer le grand déséquilibre de l'univers primitif. Dans un nouvel article, publié aujourd'hui (16 janvier) dans la revue Nature Communications, les scientifiques ont montré qu'ils pouvaient utiliser l'hélium surfondu pour modéliser ces premiers moments d'existence - en particulier, pour recréer un ensemble possible de conditions qui auraient pu exister juste après le Big Bang.
C'est important parce que l'univers est plein d'actes d'équilibrage que les physiciens appellent «symétries».
Quelques exemples majeurs: les équations de physique fonctionnent de la même manière en avant et en arrière dans le temps. Il y a juste assez de particules chargées positivement dans l'univers pour annuler toutes les particules chargées négativement.
Mais parfois, les symétries se brisent. Une sphère parfaite en équilibre sur la pointe d'une aiguille tombe d'une manière ou d'une autre. Deux côtés identiques d'un aimant séparés en pôles nord et sud. La matière l'emporte sur l'antimatière dans le premier univers. Des particules fondamentales spécifiques émergent de l'informe du premier univers et interagissent les unes avec les autres via des forces discrètes.
"Si nous considérons l'existence du Big Bang comme donnée, l'univers a sans aucun doute subi des transitions de rupture de symétrie", a déclaré à Live Science Jere Mäkinen, l'auteur principal de l'étude et doctorant à l'Université Aalto en Finlande.
Besoin d'une preuve? C'est tout autour de nous. Chaque table, chaque chaise et chaque ornithorynque à bec de canard est la preuve que quelque chose a fait basculer le premier univers hors de son état initial et plat et dans sa complexité actuelle. Nous sommes ici au lieu d'être des potentialités dans un vide uniforme. Donc, quelque chose a brisé cette symétrie.
Les physiciens appellent certaines des fluctuations aléatoires qui brisent la symétrie des «défauts topologiques».
Essentiellement, les défauts topologiques sont des endroits où quelque chose devient chancelant dans un domaine par ailleurs uniforme. Tout à coup, une perturbation émerge. Cela peut se produire en raison d'interférences extérieures, comme dans une expérience de laboratoire. Ou cela peut arriver de façon aléatoire et mystérieuse, comme les scientifiques soupçonnent que cela s'est produit dans le premier univers. Une fois qu'un défaut topoligique se forme, il peut s'asseoir au milieu d'un champ uniforme, comme un rocher créant des ondulations dans un ruisseau lisse.
Certains chercheurs pensent que des types particuliers de défauts topologiques dans les éléments sans forme du premier univers peuvent avoir joué un rôle dans ces premières transitions brisant la symétrie. Ces défauts peuvent avoir inclus des structures appelées "tourbillons demi-quantiques" (modèles d'énergie et de matière qui ressemblent un peu à des tourbillons) et des "murs délimités par des cordes" (structures magnétiques constituées de murs bidimensionnels délimités de chaque côté par deux un- "cordes" dimensionnelles). Ces structures émergentes spontanément affectent le flux de matière dans des systèmes par ailleurs symétriques, et certains chercheurs soupçonnent que ces structures ont joué un rôle dans le regroupement de l'univers dans les étoiles et les galaxies que nous voyons aujourd'hui.
Les chercheurs avaient auparavant créé ce genre de défauts dans les champs magnétiques des gaz surfondus et des supraconducteurs dans leurs laboratoires. Mais les défauts sont apparus individuellement. La plupart des théories qui utilisent des défauts topologiques pour expliquer l'origine de l'univers moderne impliquent des défauts "composites", a déclaré Mäkinen - plus d'un défaut fonctionnant de concert.
Mäkinen et ses co-auteurs ont conçu une expérience impliquant de l'hélium liquide refroidi à des fractions d'un degré au-dessus du zéro absolu et pressé dans de minuscules chambres. Dans l'obscurité de ces petites boîtes, des tourbillons demi-quantiques ont émergé dans l'hélium surfondu.
Ensuite, les chercheurs ont changé les conditions de l'hélium, le faisant passer par une série de transitions de phase entre deux types différents de superfluides, ou fluides sans viscosité. Ce sont des transitions de phase semblables à l'eau passant d'un solide à un liquide ou à un gaz, mais dans des conditions beaucoup plus extrêmes.
Les transitions de phase provoquent la rupture de la symétrie. Par exemple, l'eau liquide est pleine de molécules qui peuvent s'orienter dans de nombreuses directions différentes. Mais congelez cette eau et les molécules se verrouillent en place dans des positions particulières. Des ruptures de symétrie similaires se produisent avec les transitions de phase superfluides dans les expériences.
Pourtant, après que l'hélium superfluide a traversé ses transitions de phase, les tourbillons sont restés - protégés par des murs délimités par des cordes. Ensemble, les tourbillons et les parois ont formé des défauts topologiques composites et survécu à des transitions de rupture de symétrie. De cette façon, les chercheurs ont écrit dans l'article, ces objets reflétaient des défauts que certaines théories suggèrent de se former dans le premier univers.
Est-ce à dire que Mäkinen et ses co-auteurs ont compris comment la symétrie s'est brisée dans l'univers primitif? Absolument pas. Leur modèle a seulement montré que certains aspects des "grandes théories unifiées" sur la façon dont le premier univers a pris sa forme peuvent être reproduits dans un laboratoire - en particulier, les parties de ces théories qui impliquent des défauts topologiques. Aucune de ces théories n'est largement acceptée par les physiciens, et cela pourrait être une grande impasse théorique.
Mais le travail de Mäkinen ouvre la porte à plus d'expériences pour enquêter sur la façon dont ces types de défauts peuvent avoir façonné les moments après le Big Bang. Et ces études enseignent définitivement aux scientifiques quelque chose de nouveau sur le domaine quantique, a-t-il déclaré. La question ouverte demeure: les physiciens relieront-ils de façon concluante ces détails sur le minuscule monde quantique au comportement de l'univers entier?
