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Que nous dit l’uniformité du ciel sur la création du Monde?

A partir d'une constatation évidente tel que l'uniformité de l'espace dans deux directions opposées se pose de profondes questions sur les origines de l'univers et les phénomènes qui se sont produits avant que ces lieus opposées ne soit séparés.
Dans un premier temps sont exposées les caractéristiques du fonds diffus cosmologique infra-rouge, qui nous renseigne précisément sur le degré d'uniformité de l'univers jeune , et d'exposer les lignes générales d'une théorie permettant d'expliquer cette extrème uniformité.
Ensuite est exposé le lien entre la topologie ,c'est-à-dire la forme globale de l'espace et son contenu, ce qui débouche sur le problème de la finitude de l'univers.
Enfin et de manière assez spéculative  sont évoquées les questions tournant autour du lien entre la structure de l'univers et son  l'expansion ainsi que de la relation, par la conservation d'une densité critique, entre l'horizon observable de l'univers et son contenu global.
 
 

1 Le fonds diffus cosmologique
2 Courbure et inflation
   2.1 Courbure
    2.2 Les géométries de l’espace –temps
    2.3 Topologie et finitude de l’univers
    2.4 Evolution et inflation
3 Le substrat originel
 

1 Le fonds diffus cosmologique

L’horizon de l’univers observable est à une distance de 15 milliards d’années-lumière. La taille de cet univers visible était de 10 millions d’années-lumière lors de l’émission du Fonds Diffus Cosmologique. A cette époque, l’univers n’avait pas eu le temps de s’homogénéiser . Or ce flux est isotrope, c’est-à-dire identique dans toutes les directions.

Comment 2 lieux sans relations avant aujourd’hui peuvent-ils se ressembler à ce point?


 
 
 
 
 
 

En 1964, Penzias et Wilson ont détecté le Fonds diffus Cosmologique (F.D.C.), émission centimétrique baignant tout l’univers et correspondant à l’émission d’un corps noir parfaitement absorbant à 2,73K. Cette émission est due à l’expansion de l’univers. L’augmentation du rayon de courbure augmente la longueur d’onde des photons. Ces photons étaient couplés avec la matière qui, portée à la même température, les absorbait et les réémettaient continuellement.

La température s’est abaissée et, lorsque le seuil de 3000 K a été atteint, il y a eu augmentation soudaine du nombre d’atomes formés par couplage des électrons et des noyaux légers (hydrogène et hélium essentiellement). Les photons émis auparavant étaient continuellement en interaction avec les électrons libres réduisant fortement leur libre parcours et conférant un caractère thermique au rayonnement par ses multiples interactions (l’énergie absorbée est réémise à la même énergie et il y a impossibilité de reconstituer les trajectoires). La matière constituait donc les parois de ce corps noir a priori parfaitement absorbant.

Lorsque les atomes ont pu se former en grand nombre, la section efficace des électrons liés étant 500 fois moindre que celle des électrons libres, les photons ont alors pu traverser la matière en ligne droite et l’univers est devenu transparent. Le libre parcours moyen des photons est passé soudainement de 3000 ans , très insuffisant pour traverser tout l’univers sans interaction, à 300 millions d’années et ce libre parcours a continué depuis à croître lentement avec la dilution de la matière et la réduction de son interaction avec le rayonnement.

Le découplage correspond aussi au moment où la densité de rayonnement est passée sous la densité de la matière. Il s’est produit de 300 à 700 000 ans après le Big-Bang.

Le niveau fondamental de l’hydrogène (13,6 ev) correspond à une température de 160 000 K atteinte seulement un siècle après le Big-Bang. Mais à cette température l’énergie de liaison dégagée par la formation d’atomes est faible. Le système qui tend à maximiser ses nombres d’états conserve donc une ionisation totale jusqu’à une température de 4800K et majoritaire jusqu’à 3400 K.

On peut aussi considérer un autre facteur, celui de la dispersion des énergies due à la statistique quantique qui a maintenu, jusqu’au découplage final, une proportion de photons très énergétiques détruisant les atomes formés.

En regardant loin, on observe des sources lumineuses de plus en plus anciennes. Ces sources subissent un décalage des fréquences liées aux différences de courbure de l’univers entre l’émission et la réception.

Ce décalage de courbure a aussi joué sur le F.D.C. On peut ainsi détecter l’effet sur des galaxies jeunes d’un fonds diffus cosmologique plus chaud (10K). Au-delà de 15K, , l’univers a moins de 1 milliards d’années et il n’y avait pas de galaxies, pas même d’étoiles. Seuls des nuages froid d’hydrogène biatomique encore à découvrir pouvaient interagir avec le F.D.C dans ces âges obscurs.

Mais en théorie s’il existait des structures primordiales, on pourrait observer l’effet sur le F.D.C. jusqu'à des temps très reculés. Celui-ci  a été émis quand l’univers était 1100 fois plus petit par rapport à aujourd’hui, le F.D.C ayant varié de 3000K à 2,73 K.
L'étude des variations spatiales du F.D.C. renseigne ainsi sur les surdensités qui pourraient être présentes dès son émission primordiale, ces structures pouvant éventuellement être le produit d'une hypothétique matière noire incapable de diffuser les photons et ne se dispersant donc pas sous la pression du rayonnement.

Ce F.D.C. agit comme une barrière de l’information : nous ne pouvons voir plus loin en arrière (au sens de la vision classique du rayonnement électromagnétique) car l’univers devient opaque au rayonnement .

La connaissance des inhomogénéités et donc des structures de l’univers primitif nous est presque refusée.

En fait le F.D.C. n’est pas une barrière absolue car statistiquement certains photons ont bien réussi à traverser la barrière des ions absorbants (de plus en plus rarement lorsqu’on remonte en arrière du fait de la densité et de l’agitation des ions).

L’équilibre thermique entre la matière et le rayonnement ne s’est maintenue qu’une heure après le Big-Bang (T~130 millions de Kelvins). Ensuite, les interactions n’ont plus modifiée le nombre de photons mais seulement leur énergie dans le refroidissement progressif. Après 1000 ans d’expansion, l’équilibre a commencé à se rompre et les photons les plus énergétiques n’étaient plus aussi bien absorbés par une matière moins dense ; le profil de corps noir n’était plus parfait. A l’âge de 300 000 ans le découplage a été atteint et il n’y a plus eu d’interactions suffisantes pour déformer le spectre de corps noir dont le profil reste inchangé jusqu’à nous . Seule la température caractéristique des photons a simplement continué à glisser par l’expansion du Cosmos et la variation de son rayon de courbure.

La mesure de l’intensité de la courbe aux différentes longueurs d’onde renseignent donc sur les différents processus qui libèrent des photons depuis 1 heure après le Big-Bang jusqu’à aujourd’hui. Cette remontée est toute théorique et la barrière ultime semble être un millier d’années.

D’autre part, la distribution angulaire renseigne sur les structures perturbant l’homogénéité du flux.

Des variations du F.D.C. ont été détectées par le satellite Cobe en 1992. Le simple effet du mouvement de notre galaxie n’engendre une variation que de 3,4 milliKelvins. Au-delà des variations ont été détectées au niveau d’un pour cent mille (les rides du temps selon l’ouvrage de G.Smoot). Ces variations sont insuffisantes pour engendrer des structures galactiques en moins d’un milliard d’années, cette durée correspondant au décalage cosmologique de leur spectre. Il faut donc faire intervenir une hypothétique matière noire, non sensible à l’interaction électromagnétique, et qui aurait créée les germes des galaxies dès le premier millier d’années sans que ces germes perturbent l’isotropie du F.D.C.

Le F.D.C. nous parvient d’une sphère centrée sur l’observateur et dont le rayon est donné par la différence de temps en années-lumière entre l’émission (~300 000 ans) et la réception (15 milliards d’années)

Ce F.D.C. n’est pas comme un front d’onde qui arrive sur nous et nous dépasse. Puisque le Big-Bang est survenu en tout point de l’univers, le F.D.C. qui nous parviendra dans un an a été émis par une sphère concentrique dont le rayon est de 1.A.L. supérieur au rayon d’émission du F.D.C. actuellement reçu.

La différence de rayon de courbure aura encore augmenté la longueur d’onde et réduit la température de 1/15 de milliardième.

Il n’y a pas de vide dans l’univers où le Big-Bang n’a pas eu lieu car c’est la création de la matière et son expansion qui a créé l’espace le contenant ; il n’y a pas d’espace préexistant ou définissable indépendamment de son contenu.

Puisque le rayon de l’univers observable s’étend, de plus en plus de galaxies primitives apparaissent et le front d’onde du F.D.C. s’étend. L’horizon est repoussé et une fraction de plus en plus importante de l’univers réel nous apparaît comme notre regard plonge dans cet espace total plus grand que notre espace observable.

Cet espace est aussi homogène que notre espace plus proche. La preuve : le F.D.C. reçu de 2 directions opposés est parfaitement homogène et correspond toujours à l’émission d’un corps noir porté à 2,73 K.

Comment l’univers a t-il évolué depuis l’émission du F.D.C. ?

Notre phase de l’univers est dite ère de matière, par opposition à l’ère antérieure du rayonnement, car la densité d’énergie de matière prévaut sur la densité d’énergie du rayonnement (même si en nombre de particules il y a 1 milliards de photons pour 1 particule de matière).

La conservation de l’énergie , somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle de gravitation, implique que dans cette ère de matière le rayon est multiplié par 4 lorsque le temps est multiplié par 8 (et multiplié par 16 avant le F.D.C).

Ceci signifie que deux points opposés de notre univers observable (le zénith et le nadir aujourd’hui séparés d’un diamètre de 30 milliards d’années –lumière) étaient encore séparés de 10 millions d’A.-L. au moment de l’émission principale du F.D.C.).

Cet événement s’étant produit environ 300 000 ans après le big-bang, comment des points qui ne pouvaient communiquer auraient-ils pu s’homogénéiser ?

Rappelons que la relativité repose sur le fait que deux événements ne peuvent être synchronisés avant que l’information ne se soit propagée d’un point à un autre.

Cela signifierait que des points qui semblent rentrer en contact seulement aujourd’hui par le flux du F.D.C. ont subi, au début de l’univers, un phénomène synchrone qui les a homogénéisés.

La physique quantique nous fournit de fort indice pour désigner la période de 10-35 à 10-33 seconde après le Big -Bang comme l’instant de l’histoire universelle qui a vu l’homogénéisation de l’univers.

2 points séparés de 10 millions d’A.-L. à T=300 000 ans étaient encore séparés de 2 mètres environ 10-33 s après le Big-Bang. Comment cette boule de feu de 2 mètres pouvait elle déjà être homogène ?

C’est là que le tour de passe de la physique quantique intervient. Elle fait intervenir un processus " inflationniste " qui a augmenté la distance entre 2 points extrêmement proches.

L’univers initial possède une taille dont l’incertitude était 1,6 10 –35 m et l’incertitude sur le moment de la mesure est de 10-43 s . Cela signifie que de manière irréductible nous ne pouvons pas considérer des intervalles plus petits car il s’agit d’une incertitude inhérente à toute mesure.

Fondamentalement l’univers ne possède initialement aucune matière détectable ; il est formé d’un substrat vide et par définition homogène.

Faisons évoluer l’univers jusqu’au temps 10-35 s, la taille de l’univers total est alors de l’ordre de 10-25 m .

C’est à ce moment que l’univers s’est suffisamment refroidi pour qu’un phénomène de transition interne augmente sa taille jusqu’à environ une année – lumière, ce qui est bien supérieur aux 2 mètres de la partie de l’univers aujourd’hui observable.

Au terme de cette inflation, l’énergie potentielle du vide se convertit en matière ; c’est la boule de feu primordiale.

Quelles sont les conséquences de l’inflation?

Nous savons par la relativité générale que les trajectoires sont modifiées par le contenu en énergie et en masse de la portion de l’univers traversée.

Cette torsion des trajectoires est appelée courbure.

Ainsi l’univers possède une courbure moyenne liée à son contenu en énergie.

Si l’univers possédait initialement une courbure intrinsèque ou si des trous noirs primordiaux créaient des zones localement courbées, l’expansion fantastique de l’espace vide, en augmentant considérablement le rayon de l’univers, a réduit fortement la variation d’une trajectoire par rapport à celle dans un espace vide de matière.

C’est en ce sens que l’on parle d’un espace plat.

Dans la prochaine partie nous examinerons le sens qui est donné au mot courbure et les différentes topologies que peut prendre l’univers.

Bilbliographie

Les rides du temps G.Smoot chez Champs Flammarion

Dernière nouvelles du Cosmos H.Reeves chez Points Sciences

L’univers osous le regard du temps H.Andrillat Collection De Caelo chez Masson
 
 
 
 
 
 

2 Courbure et inflation

2.1 Courbure

Nous avons vu que les trajectoires sont modifiées par le contenu en énergie et en masse de l’espace traversé. Il s’agit en fait d’une interaction entre le mobile et son milieu, le contenu en énergie de l’espace étant relatif à la vitesse du mobile.

La modification des trajectoires est appelée courbure. Elle vise à rapprocher le mobile de la source du champ de gravitation ce qui ralentit consécutivement l’écoulement du temps dans cette direction ; les lignes droites sont transformées en courbe. Cet effet repose sur le postulat de l’équivalence entre masse gravitationnelle et masse inertielle.

La courbure est fonction de la distance à parcourir . Or celle-ci est modifiée par l’impulsion du mobile (effet de contraction des longueurs) et par l’énergie moyenne du milieu (courbure de l’espace-temps par les masses).

Mais essayons de représenter géométriquement cette courbure.

La densité de l’univers est considérée comme identique en tout point. Son évolution est gouvernée par un temps cosmique dont l’origine est le Big- Bang et s’écoulant au même rythme en tout point.

L’univers possède donc un rayon de courbure qui est vu égal en tout point à un instant donné du temps cosmique. Ce rayon de courbure est un facteur d’échelle la distance entre l’observateur et le point le plus éloigné de l’univers.

Cet univers est dynamique. Son rayon de courbure évolue avec le temps (le rayon de l’univers augmente depuis le Big- Bang). Il s’agit d’un espace à trois dimensions dont les distances entre 2 points augmentent continûment , ce qui donne l’impression d’un espace à trois dimensions plongé dans un univers à 4 dimensions spatiales mais il s’agit de propriétés intrinsèques et il n’existe pas de 4ème dimension spatiale, " un ailleurs " à l’univers , les distances étant la mesure de l’évolution de la densité moyenne de l’univers.

Pour un univers homogène, la courbure est liée à sa densité moyenne et à sa constante cosmologique. En général cette constante est négligée.
 
 
 
 

2.2 Les géométries de l’espace –temps

Il y a mathématiquement 3 types d’espaces : l’elliptique, l’euclidien et l’hyperbolique.

a) Considérons l’univers euclidien dit à courbure nulle ou espace plat. Cet univers correspond à une densité dite critique.

Dans l’univers euclidien, chaque point P de l’univers peut être vu comme étant à la périphérie d’une sphère de rayon R et de centre O, précisons tout de suite qu’il existe une infinité de point O pour lesquels nous sommes à la périphérie du cercle centré sur eux.

Déplaçons notre point P sur la périphérie de cette sphère de centre O.

Nous avons parcouru un angle y par rapport à l’axe OP.

La distance r parcourue est Ry .

Dans l’univers de densité critique, le cercle n’est pas déformé ; ce cercle a les mêmes propriétés que dans un espace où la matière ne déformerait pas l’espace.

Un univers à 3 dimensions en expansion au fil du temps et dont la densité d’énergie est optimale possède les mêmes propriétés de trajectoire qu’un univers plat à deux dimensions sans déformation car vide de matière.

Cet espace est équivalent à un espace plat ou euclidien.

Ainsi la somme des 3 angles du triangle reliant 3 points de l’univers ferait exactement 180°.

Considérons maintenant un observateur qui réaliserait des cercles dont le rayon serait le rayon de courbure de l’univers. Voici le mouvement qu’il suivrait. L’univers s’étend continûment mais de plus en plus lentement.
 
 

b) Dans un univers à courbure positive (convexe), le cercle serait déformé et la somme des angles serait inférieure à 180°.

Déplaçons à nouveau notre point P sur la périphérie de cette sphère de centre O.

Nous avons parcouru un angle y par rapport à l’axe OP.

La distance r parcourue est R * sinus y et donc inférieur au cas euclidien (car la matière est plus dense et l’espace plus déformé)

Dans cet univers le cercle est déformé ; tout se passe comme si le centre du cercle n’était plus O mais un point H à une distance R * sinus y inférieure à R

L’univers est dans ce cas comme un ellipsoïde de révolution autour de l’axe OP. Si un vaisseau passait de P en O et continuerait " au-delà " la forme de l’espace serait telle que le vaisseau reviendrait en P.

Reprenons la situation de l’observateur qui réaliserait des cercles dont le rayon serait le rayon de courbure de l’univers. Voici le mouvement qu’il suivrait. L’univers s’étend continûment mais de plus en plus lentement (expansion) et repart en sens inverse (contraction).


 
 
 
 

En fait l’univers lorsque nous l’observons dans un axe serait comme un ballon de rugby dont nous serions une des 2 extrémités et dont nous verrions une seule moitié. L’autre moitié est en quelque sorte réentrant dans la première.

Pourquoi un tel ellipsoïde réentrant au lieu d’un simple ballon de rugby? Ceci pour préserver l’uniformité de l’espace.

Partons devant nous et traversons l’univers (ne considérons pas l’expansion qui éloigne notre objectif). Si nous atteignons son " bord ", l’espace ne serait plus homogène ; l’espace pourrait ainsi être parcouru de part en part et qui aurait il au-delà ?

A l’inverse, l’espace ellipsoïde est replié ; il n’a pas de bord que l’on puisse atteindre ; tout trajet est totalement inclus dans cet espace et nous ne pouvons que revenir à terme à notre point initial.

Le raisonnement est le même pour l’espace euclidien et l’espace sphérique qui a été envisagé doit être remplacé par un espace sphérique réentrant . Ainsi tout parcours sur un hémisphère est suivi d’un trajet complémentaire sur l’autre hémisphère, trajet replié à l’intérieur du premier.
 
 

On associe souvent l’univers à courbure positive à un univers qui serait plus dense et donc plus courbé que l’univers de densité critique. En fait nous verrons que l’inflation impose une densité critique. Défendre un univers de courbure positive revient à nier le processus d’inflation.
 
 

c) Un univers à courbure négative (concave) nierait également le processus de l’inflation et supposerait un univers moins dense que la densité critique.

Dans cet univers à courbure négative, le cercle serait moins déformé par la matière et la somme des angles serait supérieure à 180°.

Déplaçons à nouveau notre point P sur la périphérie de cette sphère de centre O.

Nous avons parcouru un angle y par rapport à l’axe OP.

La distance r parcourue est R * sinus hyperbolique y ~R/2 exponentielle y et donc supérieure au cas euclidien (car la matière est moins dense et l’espace moins déformé)

Dans l’univers de densité sous- critique, le cercle est trop peu déformé ; tout se passe comme si le centre du cercle n’était plus O mais un point H a une distance R * sinus hyperbolique y supérieure à R.

L’univers vu selon un axe se présente alors comme un hyperboloïde de révolution autour de l’axe OP.

Cet espace est comparable localement à la forme d’une selle de cheval ; il est ouvert et s’il possède localement un rayon de courbure, les cercles délimités par chaque point d’une trajectoire se déplacent également et dans ce cas nous ne pourrions revenir à notre point de départ car cet univers ne possèdent pas de distance limite ; il est infini.

Dans ce dernier cas l’observateur qui réaliserait des cercles dont le rayon serait le rayon de courbure de l’univers ne pourrait pas boucler un seul tour car l’univers est toujours croissant même lorsque l’on fait tendre la variable temps vers l’infini. Dans certains modèles faisant intervenir une expansion rapide du vide, la croissance s’accélère même au fil du temps.
 
 
 
 

2.3 Topologie et finitude de l’univers

La topologie est la science des formes que peut prendre un espace. Le caractère différentiel des équations de la relativité ne permet que de déterminer l’impact local des champs de gravitation, même si ces solutions sont étendues à l’univers tout entier supposé homogène et isotrope.

La topologie , c’est -à- dire la forme globale de l’univers ne peut pas être déterminé par ces équations.

Avec la topologie la plus simple et donc la plus probable, l’univers elliptique est un espace fermé non seulement dans le temps (expansion suivie d’une contraction) mais aussi par la finitude de l’espace.

Dans les topologies les plus simples, les espaces euclidien et hyperbolique pourront s’étendre sans limitation (à moins qu’ils ne le soient déjà infini, ce qui est plus difficile à admettre physiquement).

Mais il y a d’autres topologies permettant aux espaces euclidien ou hyperbolique d’être fermé. Les exemples les plus triviaux seraient le tore ou le cylindre ; cet espace euclidien peut être replié par sa topologie en un tore ou un cylindre qui se referme sur lui-même.

Faute de déterminer la topologie de l’univers , on ne pourrait conclure sur la finitude de l’univers que dans le cas où la densité de l’univers serait supérieure à la densité critique.

2.4 Evolution et inflation

L’évolution des 3 types d’espace est caractérisée par la constante de Hubble qui n’est qu’une constante spatiale mais qui n’est pas constante dans le temps. Elle exprime le rapport entre la vitesse D R/D t de variation de la courbure et la courbure R, à un instant donné du temps cosmique.

Dans le cas euclidien, l’expansion est continuelle . La constante de Hubble ne tendra vers zéro qu’à l’infini ; la durée de vie de cette univers est infini.

Dans le cas elliptique, la constante de Hubble tend vers zéro en un temps fini, s’annule puis devient négative ; l’univers se rétracte après s’être dilaté. Sa durée de vie dépend de la valeur initiale de l’expansion (qui pourrait dépendre de la constante cosmologique qui est très importante au début de l’univers).

Dans le cas hyperbolique, la constante augmente avec le temps ; la durée de vie de l’univers est infinie et la densité de matière tend vers zéro.

La constante cosmologique représente la densité potentielle d’énergie du vide. Elle se caractérise par une tension interne équivalente à une pression en tout point augmentant les distances et contrecarrant l’attraction, universelle de la matière. Dans certains modèles, la constante cosmologique est si importante que l’expansion pourrait s’accélérer au fil du temps. Cette expansion accélérée caractérise aussi la première phase de l’univers commune dans tous les types d’espace et qui précède la création de la matière: l’inflation.

Un champ est un état potentiel d’énergie en tout point. Les champs peuvent être orientés simplement (vectoriel) comme le champ électromagnétique, orientée et couplant les dimensions d’espace deux à deux (tensoriel) comme le champ de gravitation relativiste, ou sans orientation (scalaire) comme un champ de température.

Sachant qu’en physique quantique les grandeurs ne peuvent pas être toutes nulles avec certitude, l’état du vide ne correspond qu’à un état d’énergie minimale. On suppose donc qu’au début de l’univers il existe un champ scalaire (champ de Higgs) caractérisant l’état du vide et un champ d’interaction où toutes les forces nucléaires et électromagnétique sont unifiées.

La dimension de l’espace détermine les longueurs d’ondes du champ d’interaction qui peuvent s’y propager, comme le ferait un guide d’onde. A une longueur d’onde on peut faire correspondre une température équivalente.

Lorsque la dimension de l’espace passe un seuil, les longueurs d’onde qui se propagent deviennent équivalentes au longueur d’onde du champ scalaire ; on dit que la température s’abaisse sous un seuil critique.

Ce n’est qu’à cette température que les oscillations du champ du vide peuvent influencer les oscillations des champ d’interaction. Une capacité de " frottement " des particules dans le champ du vide est apportée ; cette nouvelle capacité est la masse qui limite la vitesse de propagation.

A ce moment critique, les bosons, particules vectrices des champs d’interaction, interagissant avec le champ scalaire et acquièrent donc une masse. La portée des forces devient non infinie ; le champ d’interaction se scinde alors en champ nucléaire fort et en champ électrofaible : il y a brisure de symétrie.

Le champ scalaire dominant les champs d’interactions, l’expansion est alors caractérisée par l’expansion du vide.

Puisque le vide est par définition, invariant, il s’étend en conservant sa densité d’énergie ; l’expansion devient exponentielle.

L’inflation primordiale augmente considérablement le rayon de l’univers et les trajectoires sur une grande portion de l’univers seraient équivalentes à celles observées dans un espace vide de matière.

C’est en ce sens que l’on parle d’un espace plat. Il conviendrait mieux de dire que l’espace possède trois dimensions mais que tout ces points étant équivalents on peut toujours dessiner autour d’eux un même horizon de visibilité, un horizon parfaitement sphérique de rayon de 30 milliards d’années –lumière pour 15 milliards d’années depuis le Big- Bang.

Il n’y a donc pas de bord et le contenu interne de cet espace dit plat n’est pratiquement pas déformé par les masses.

Son rayon de courbure s’est enflé démesurément; il est devenu si élevé que localement il apparaît plat. Si l’univers était initialement en bosse (hyperbolique ouvert) ou en creux (ellipsoïde fermé), l’inflation a lissé tous les écarts.

En une fraction de seconde (~10-33 s ) l’univers serait passé de 10-25 m à 10 26 m (1 A.-L.) (les valeurs initiales et finales fluctuent terriblement selon les modèles) .

L’écart qui peut exister par rapport à la densité critique (en plus ou en moins) se serait réduit exponentiellement.

Comment est ce possible ? Un univers avec une certaine quantité d’énergie se diluerait complètement et ne saurait tendre vers une densité critique.

En fait l’univers étend son espace vide par l’inflation. Mais l’énergie potentielle du vide en expansion possède exactement la densité critique. Or l’énergie potentielle du vide est reliée aux 3 constantes fondamentales : la constante de gravitation (G) , de Planck (h) et à la célérité des ondes électromagnétiques (c) . Ceci implique que ces constantes soient réglées pour que l’espace apparaisse euclidien.

C’est le moment de la conversion entre l’énergie du vide et l’énergie du couple matière- rayonnement qui stoppe l’inflation (passage du faux vide potentiel au vrai vide effectif coexistant avec la matière)

A la fin de l’inflation la constante de Hubble est uniquement facteur de la densité du vide; l’univers ne possède plus de courbure intrinsèque à l’échelle de l’univers visible. L’attraction universelle va depuis lors avoir comme effet de réduire la constante de Hubble parallèlement à la diminution de la densité de matière et de rayonnement.

Un point important : tout écart par rapport à un univers euclidien peut ne pas être détectable si la portion de l’univers que nous détectons (l’horizon) est bien inférieure au rayon de courbure. Même à l’époque actuelle, l’échelle observable serait bien en- deçà de l’échelle de courbure.

La croissance de l’horizon observable se fait à la vitesse 2c (cette célérité est un mouvement relatif entre deux points ; l’observateur et la limite de son horizon).

Rappelons que si l’univers possède une densité critique alors on retrouve une taille de 15 milliards d’années pour la " constante de Hubble " observé de 65 km/s/Mégaparsecs.

Il ne faut donc pas confondre le rayon de l’horizon observable =30 milliards d’années -lumière pour T=15 milliards et le rayon de courbure de l’univers qui lui est considérablement plus grand.

La zone observable de l’univers observable s’accroît à la célérité 2c mais le rayon de courbure de l’univers varie d’un facteur 2 lorsque le temps triple.

Au temps 10-33 seconde ,c’est-à-dire juste après l’inflation la dimension totale de l’univers pourrait avoir été de 10 milliards d’A L (une taille proche de la partie de l’univers actuellement visible)

Au moment du F.D.C à T=300 000 ans , sa dimension serait passée à 2 10 15 A.-L.

A l’époque actuelle à en T=15 milliards d’années, sa dimension totale serait de 8 10 48 A.-L.

Parallèlement ce qui deviendra notre univers aujourd’hui observable ne faisait que 2 mètres à T=10-33 s

Cette espace faisait 10 millions d’années –lumière à T=300 000 ans et 30 milliards d’années lumière en T=15 milliards.

En comparant les 30 milliards d’années lumière visibles aux 8 10 48 A.-L d’univers englobant et supposés homogène, nous ne pouvons pas nous étonner que l’horizon du F.D.C. qui s’étend à tout instant demeure homogène.

A t= 8 10 77 milliards d’années, l’horizon visible couvrira tout l’univers qui se sera étendu sur 3 10 95 A.-L.

A ce moment toutes les étoiles se seront éteintes et ne subsistera plus que le rayonnement ténu des trous noirs galactiques se dissipant lentement. Il n’y aura plus personne et plus rien à voir.
 
 

3 Le substrat originel

L’univers avant d’être matériel n’était constitué que du substrat " vide " un milieu constitué de particules inter actrices, qui surgissent d’un espace sans limite d’énergie négative et qui n’acquièrent une énergie positive que le temps permis par la relation d’Heisenberg (plus d’énergie moins de temps). Aucun système physique ne peut détecter ces particules car ces particules ne se propagent que sur une seule longueur d’onde ; toute interaction entre 2 particules réelles engendre l’apparition de particules virtuelles qui disparaissent dès réception. L’effet de ces particules, même indirect, doit être intégré aux modèles mais leur temps d’existence sont en deçà du notre.

Bref, le substrat étant constitué d’un potentiel d’énergie négative n’est pas lié à la limitation relativiste de propagation de l’information ; sa propriété est remarquable (sa densité d’énergie est constante car le puits d’énergie disponible est sans limite). S’il se remplit d’énergie, son volume s’accroît exponentiellement (d’un facteur 1030 à 10 100).

Ainsi l’univers total produit de cette inflation est-il immense et beaucoup plus grand que la portion de l’univers qui deviendra notre univers visible. Et cet univers total a été homogénéisé par l’inflation (tout comme une ride disparaît lors d’un bon lifting).

Résultat notre portion d’univers observable et d’univers total vont grandir parallèlement

Les deux points initialement conjoints sont aujourd’hui aux deux extrémités d’un diamètre de l’univers observable mais nous constatons que leurs environnements immédiats au moment de la création du FDC étaient semblables car ils se sont homogénéisés au début de l’univers.
 
 

Comment l’univers lors du processus d’inflation peut-il s’étendre initialement à une célérité supérieure à la vitesse de la lumière ?

La question est mal posée. Il ne s’agit pas d’une bulle qui enfle. Il s’agit plutôt de l’apparition, du surgissement d’une bulle remplie d’énergie. Il n’y a pas propagation comme une traînée de poudre.

La question est de savoir d’où vient cette énergie et comment le surgissement se produit ?

Une première théorie évoque un champ d’énergie potentielle existant a priori, ce champ définirait un état de vide potentiel plein d’énergie, un faux vide. L’inflation permettrait le passage à un état de vide effectif, la différence d’énergie étant convertit en particules réelles. La bulle primordiale gonflerait jusqu’à devenir presque plate et atteindrait donc une densité critique avec un écart extrêmement faible. Ceci permet que de nos jours la divergence demeure faible et que la densité soit juste suffisante pour refermer l’univers, ou tout au plus 10 fois trop faible dans les pires estimations.

Mais d’où viendrait ce champ primordial et comment cette désexcitation du vide se serait-elle initialement propagée ?

Notons avant d’aller plus loin que dire que notre univers possède une densité critique revient à dire qu’il forme globalement l’intérieur d’un trou noir. Ceci peut sembler surprenant mais la densité d’un trou noir diminue au cube du rayon ; un grand univers est donc très dilué. Dire qu’il est de la taille de notre univers, reviens à dire que l’univers a une densité critique.

Question pourquoi cette densité est-elle seulement celle de l’univers observable et non pas celle de l’univers total ? Ceci privilégie la première théorie d’un univers critique par simple extension, sans donner un sens particulier à la densité critique..

Une vision beaucoup plus profonde du début des choses est permise par les théories de grande unification des interactions fondamentales. Chaque interaction serait l’effet du repliement d’un espace de dimensions supérieures.

Le début de l’univers serait vu lui-même comme le repliement de sept dimensions différentes de l’espace-temps.

L’action de ce repliement serait la transformation de la singularité primordiale en un espace dilaté en expansion, le messager de ce transfert étant ce que la physique dénomme énergie.

Lorsque l’espace atteint en tout point une énergie potentielle équivalente à la densité critique, il possède alors une densité qui lui donne les propriétés d’un trou noir et ce potentiel de particules virtuelles se transforme en particules réelles (quarks, leptons…). mais notre univers possède toujours cette densité critique.

La densité critique n’est donc pas le résultat d’un déploiement de l’univers jusqu’à devenir globalement plat à force d’être dilué. Au contraire, l’aboutissement à une densité critique en tout point induit la désexcitation.

La densité critique n’est donc pas un effet induit, c’est un seuil qui aussitôt atteint provoque le basculement de l’énergie potentielle à des particules réelles.

L’énergie injectée dans notre espace introduit aussi la notion de temps car le temps est une mesure des transitions d’énergie. Le temps est la mesure de la probabilité de transition d’un état à un autre, probabilité liée à la différence d’énergie entre 2 états.

Le repliement de dimensions supplémentaires aurait induit la création de ce vide plein de particules virtuelles et se serait convertit en un déploiement de l’espace-temps.

On comprend alors que ce transfert entre des dimensions différentes n'est pas lié aux propriétés de notre espace-temps et puisse se réaliser indépendamment des notions de célérité.

La relativité repose sur une approche purement géométrique de la physique, l’énergie n’y est rien d’autre que la valeur de la courbure de l’espace-temps, la limitation de cette notion réside dans l’approche de l’univers comme une forme continue. L’introduction des discontinuités quantiques engendre une texture floue de l’espace –temps et introduit une limitation dans la précision de deux mesures simultanées de grandeurs couplées (par exemple la position dans le temps et l’énergie d’une particule).

La notion de vitesse de propagation est fondamentalement liée à notre espace-temps. La physique quantique introduit la possibilité d’un couplage de grandeurs quantiques indépendant de la distance " comme si le couplage se propageait plus vite que la lumière ". Mais un phénomène de censure engendre la destruction de l’information au moment de sa mesure; le résultat est entièrement déterminé par sa mesure. Aussitôt la grandeur mesurée sur la 1ère particule est modifiée sur la particule couplée. L’introduction des interactions fondamentales comme la manifestation de dimensions supplémentaires conduit à envisager la propagation de grandeurs quantiques selon des chemins en dehors de notre espace-temps.

Imaginons un univers où 3 dimensions spatiales seraient de la taille minimale permise par la physique quantique en deçà de cette taille l’univers est absolument instable de part la relativité il se transforme en trou noir.

De part la physique quantique, l’univers est statistiquement délocalisé et sa probabilité d’être à l’extérieur de cette dimension est plus grande que d’être à l’intérieur.
 
 

Il est difficile de cerner le vide. L’introduction au début du XXème siècle de la constante de Planck a conduit au développement de la notion d’un " vide " plein d’énergie potentielle.

En fait, il ne s’agit plus de définir un éther support de la propagation des corps matériels mais plutôt d’appréhender le lien entre les corps matériels.

L’introduction féconde de la symétrie dans les théories des particules a conduit à la définition d’interaction, vecteur de cette symétrie.

Ces interactions se propagent dans un milieu assimilé au vide, c’est-à-dire à un espace sans matière où l’information est transportée.

Mais l’existence de l’imprécision planckienne sur les distances et les énergies conduit à la délocalisation des particules qui sont plutôt le lieu du nuage de particules virtuelles environnant le cœur singulier de la particule. Ces particules possèdent une énergie d’autant plus dense qu’elles sont proches du cœur. Plus la résolution est fine plus le spectre de la particule se démultiplie.

Or les particules échangent entre elles une particule support d’interactions. Au contraire des particules de matières soumises à des lois d’exclusion, les particules vectrices de force peuvent se cumuler sans limitation de densité.
 
 

L'univers réel est bien plus grand que l'univers visible et il est pareillement homogène.

Comment peut-on considérer seulement l'univers visible comme un trou noir et l'univers extérieur comme extérieur du trou noir sachant qu'ils ont la même densité à tout instant du temps cosmique?

En fait, l'espace augmentant, dire qu'il possède une densité critique revient à admettre son expansion dans un espace à 4 dimensions. En même temps, il acquiert de la masse en s'étendant dans l'espace extérieur: les 2 masses, celle qui était visible et celle qui le devient, bénéficient de l'expansion apparente de l'univers dans un espace à 4 dimensions.

L'univers visible peut donc être traité à tout moment comme un trou noir en expansion.

Le FDC diminue d'intensité et tend vers zéro Kelvin lorsque tous les fronts d'onde venant de tous les points de l'univers total auront dépassé l'observateur.