Cet article résume en le modifiant sur certains points « The universe on pause » Newscientist 15 feb 2025
Cette pause, que beaucoup d’observateurs souhaiteraient retrouver dans la conjoncture économique actuelle, n’est sans doute pas réaliste. Le monde aurait besoin d’un certain niveau d’inflation pour ne pas tomber dans une récession dont les effets négatifs sont bien plus grands. Il est généralement admis que le mussolinisme puis le nazisme ont été des sous-produits de la crise de 1929. L’inflation résultant des économies de guerre a eu l’avantage de relancer la croissance en tous domaines.
En est-il de même dans l’histoire de l’univers ? Il est généralement admis que l’univers tel que nous le connaissons est né d’une explosion gigantesque suivie d’une expansion continue mais lente, marquée peut-être récemment par une reprise d’expansion modérée.
Selon l’hypothèse de l’Univers cyclique, ce mouvement pourrait être répétitif :une inflation suivie d’un effondrement (big crunch) suivie d’un retour à l’inflation. Le cycle pourrait se répéter indéfiniment.
Une hypothèse plus récente suggère que l’univers, après le Big Bang et l’expansion, serait entré dans une phase de pause. L’univers garderait son état actuel, mais en conjuguant des phases de création et de destruction de matière. Dans cette hypothèse un tel cycle se renouvellerait en permanence, donnant globalement une impression de pause.
Pour ses auteurs, cette hypothèse pourrait permettre de réécrire l’histoire de l’univers. Durant les pauses, qui ne se traduiraient pas par un retour en arrière, mais par une inquiétante tranquillité, de nouveaux états ou époques pourraient apparaître.
Chaque état serait caractérisé par la domination d’une certaine forme d’énergie. Ainsi en serait-il de la période de l’inflation. Très courte car n’ayant duré que quelques fractions de seconde, elle fut dominée par l’apparition de particules dites « inflatons ». Ensuite vint l’époque de la récession caractérisé par l’apparition d’un grand nombre de particules. Mais il s’agissait de particules d’énergie, telles que les photons, plutôt que de particules de matière.
Vint enfin l’ époque de la matière proprement dite.Il est admis aujourd’hui qu’en 10 milliards d’années environ, cette matière elle-même gagna en complexité, passant des molécules et des atomes aux étoiles, galaxies et amas de galaxies. Pour certains physiciens, il s’agit de la phase finale, dans laquelle le cosmos s’étend de plus en plus loin, alors que la matière se dilue de plus en plus vite.
Néanmoins d’autres physiciens remettent tout ceci en question. Ils n’envisagent pas un univers revenant à un état stable, mais quelque chose de beaucoup plus intrigant. Pour eux, l’histoire de l’univers aurait été ponctuée de périodes de calme. Ces périodes de calme cosmologique auraient remplacé des périodes entières de l’histoire cosmologique conventionnelle.
Les conséquences de ce phénomène seraient considérables. Toutes une série d’énigmes, notamment la question de la matière noire, trouveraient des réponses. De plus ces réponses pourraient être démontrées expérimentalement.
Pour la clarté de l’exposé, nous devons ici rappeler les grandes lignes de l’histoire traditionnelle de l’univers. Le Big Bang se produisit il a quelques 14 milliards d’années. L’expansion généra une série d’époques, chacune d’elles dominée par une forme différente d’énergie. La première époque fut l’inflation, accélération rapide d’une durée de quelques fragments de seconde. Elle fut dominée par une forme d’énergie intrinsèque au vide de l’espace-temps, l’énergie du vide, générée par des particules élémentaires dites inflatons. Rappelons que, suivant la terminologie classique,
l’énergie du vide est une énergie sous-jacente à l’Univers, qui existe partout dans l’espace, à travers l’Univers. Il s’agit de l »énergie de point zéro d’un système quantique, où le « système physique » ne contient pas de matière.
Après l’inflation, l’univers entra dans une période de réchauffement pendant laquelle l’énergie du vide fut convertie en matière mais surtout en radiations. Ce fut l’époque de la radiation, ainsi nommée parce qu’à l’époque il y eut davantage de radiations, principalement des photons, que de matière. Mais plus l’univers s’est étendu, plus la radiation se dilua, laissant place à la matière. Aussi, aujourd’hu il est légitime d’évoquer l’ère de la matière.
Pour la plupart des cosmologistes, cette succession d’époques apparaît comme une marche irréversible. Cependant l’affirmation du fait que l’énergie de l’univers se transforme continuellement est de plus en plus contestée. Citons Keith Dienes de l’Université de l’Arizona, Lucien Heurtier du King’s College London, Fei Huang du Weizmann Institute of Science en Israel, Tim Tait de l’University of California, Irvine et Brooks Thomas du Lafayette College de Pennsylvanie.
Ils émettent l’hypothèse que les périodes de stabilité dans l’expansion de l’univers étaient nombreuses et durables, et qu’elles pourraient revenir à l’avenir. Durant ces époques, la quantité de matière, radiation et même énergie noire restait constante, y compris durant l’expansion de l’univers. Une sorte d’équilibre s’établissait entre elles.
Ce n’était pas l’ intention des chercheurs précités de développer ces hypothèses. Ils s’intéressaient à l’hypothèse de séries de particules rapprochées entre elles par certaines propriétés telles que la masse, « towers set of particles » . On y retrouvait des superpartenaires plus lourds de particules déjà connues, dans une approche dite de la supersymétrie supersymmetry, ou des familles de matière noire cachées dans des extradimmensons (family of dark matter particles hiding in extra dimension)s, telles que les “axions” , particules évoquées par la Théorie des Cordes pour qu tout ce qui existe est fait de cordes vibrantes uni-dmmensonnelles.
L’axion (wikipedia) est une particule hypothétique, supposée stable, neutre et de très faible masse (entre quelques µeV et quelques meV). Son existence découle de la solution de Peccei-Quinn (en) (1977) au problème de violation de la symétrie CP en chromodynamique quantique1. Depuis, l’axion est proposé comme l’un des constituants possibles de la matière noire. De nombreuses expériences tentent aujourd’hui de trouver cette particule, parmi lesquelles on compte CAST2, située au CERN, mais aussi ADMX3, ainsi que des expériences de regénération de lumière à travers un mur, comme OSQAR4 et beaucoup d’autres.
Pour beaucoup de physiciens, au delà de ces hypothèses, il conviendrait d’admettre qu’il existe beaucoup de particules encore inconnues non prises en compte par le modèle standard des particules élémentaires. La matière noire est un signe que ce modèle est incomplet.. Il n’est pas impossible que la physique entre dans un nouveau type de stasis encore non identifié.
Au printemps 2020, Dienes et Heurtier simulèrent la façon dont certaines tours de particules affecteraient l’inflation du fait de la dégradation de la matière en résultant. Ils constatèrent que la matière et l’inflation s’équilibraient toujours d’une façon étrange. Les simulations évoluèrent toujours vers une certaine forme de stasis.
En 2023, ils montrèrent que la stasis se produisait si l’on ajoutait l’énergie noire au couple matière et radiation.
Suite. Non traduit
In 2022, the five collaborators, along with Doojin Kim at Texas A&M University who has since left the collaboration, published the recipe for static epochs of matter and radiation. A year later, they showed that stasis still occurs if you add dark energy to the mix: matter, radiation and dark energy could all share the energy density of the universe in fixed proportions, without one taking over. They found that epochs of cosmic stasis may replace existing epochs or find themselves spliced within the orthodox timeline.
Why does this happen? Ultimately, stasis occurs because heavier particles in these towers decay into lighter ones, emitting radiation in the process. As described earlier, when the universe expands, radiation dilutes faster than matter. But in this new view, the shortfall in radiation is filled in by new radiation from decaying particle towers. Similarly, all those extra particles mean that matter doesn’t dilute as quickly relative to dark energy, allowing the universe to also have a balance. “The idea that you could ‘pause’ the universe is really interesting,” says Erickcek. “Usually expansion [means] evolution. Stasis is a counterexample to that: you can still be expanding and not change the energy balance of the universe.”
Rewriting cosmology
There are many ways stasis can happen. Exactly when and how it appears depends on which ideas from beyond the standard model of particle physics you use, as that determines how many particles are in the towers, what the masses of those particles are and their rates of decay to lower levels in the towers.
It is even possible that we are entering or leaving a period of stasis now, says Heurtier. We know that the energy mixture of the universe has changed in relatively recent history because dark energy currently dominates, but a few billion years ago the universe was mostly made up of matter. Simulations show that large fluctuations like this can happen at the beginning or tail end of stasis periods, says Heurtier.
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If we are leaving a period of stasis, or if stasis emerged during the matter-dominated epoch, this may help resolve a cosmological puzzle called the Hubble tension. This is a small but significant mismatch between how quickly we measure the universe to be expanding now and how quickly we expect it to be expanding. The expectation is calculated by taking measurements of the cosmic microwave background (CMB), an afterglow emitted 380,000 years after the big bang, and then winding the clock forwards until today. However, that calculation depends on assumptions about what the energy content of the universe was immediately before, during and after the CMB was produced. “Perhaps this extrapolation is wrong because the traditional models haven’t taken into account periods of stasis during which different kinds of energy coexist,” says Heurtier.
What we do know is that stasis can’t happen in the period just before the CMB was emitted. Astrophysicists have made very precise measurements of this radiation, which neatly aligns with radiation measurements from an even earlier period, when light atomic nuclei such as helium were first created, called the big bang nucleosynthesis. All radiation is accounted for within this window of time, but stasis, by definition, requires the production of new radiation, either from decaying matter or, in some models, from dark energy. So these measurements rule out stasis epochs between 1 minute and 380,000 years after the big bang, says Erickcek.
A pause after the big bang
This means a period of stasis is more likely to come about during that first minute before big bang nucleosynthesis – a pause after the big bang, if you will. “That is when we’re imagining these things would have occurred,” says Dienes. Although that sounds like just the briefest flash in time, this first minute was exceptionally consequential.
That becomes clear when you think of the past in cosmologists’ preferred measure of time: the “e-fold”. This way of thinking allows us to talk about the universe’s age in terms of how quickly it expands, with each e-fold corresponding to the universe’s volume increasing by a factor of roughly 2.718 – meaning it expands exponentially according to the mathematical constant e. The universe’s entire history has taken place over about 120 e-folds, but this first minute of existence would correspond to about 50 to 60 of those e-folds. In that sense, this period accounts for about half of the universe’s history – any new stasis epochs that arise here may substantially alter the universe’s age in e-folds.
We still know very little about what happened before the big bang nucleosynthesis, including how inflation and reheating took place. “We really don’t have data about that,” says Dienes.
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In standard models of inflation, energy stored in the inflaton field starts the expansion. But it isn’t clear exactly what this field is and why, after a tiny fraction of a second, it comes to an end. To explain that, physicists have to make a lot of assumptions, adding very specific features to the mysterious field. What’s more, traditional inflation automatically dilutes both matter and radiation, leaving the universe cold and empty when it ends. To get around that, we have to assume that some sort of reheating process took place that populated the cosmos with matter and radiation again. Then, somehow, this period transitions to the radiation-dominated epoch of the traditional timeline.
If all that sounds like rather a post-hoc rationalisation, it is. Towers of particles which necessarily cause periods of stasis, however, could smooth things over. For example, particle towers produced during reheating would populate the universe with matter and radiation as they decay. Then, after the entire tower has decayed, only radiation would remain. “From this point forward, we would rejoin the standard timeline,” says Dienes.
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Similarly, decaying particle towers can naturally lead to a universe that contains a large proportion of vacuum energy. This would rapidly accelerate the expansion of the universe for a sustained period of time. In other words, according to the team’s latest paper from June 2024, which is yet to be peer-reviewed, inflation could actually be a period of cosmic stasis.
Unlike conventional models of inflation, stasis explains how inflation ended without having to make extra assumptions. When the tower of particles has decayed, inflation ends of its own accord. And at that point, there would be loads of radiation present, so there is no need for reheating.
Exploring periods of stasis is worthwhile, says string theorist Joseph Conlon at the University of Oxford. However, he points out that many of these models entail towers with very heavy particles that decay too quickly to have a cosmological impact. On the other hand, if the particles involved were light, they would produce large extra dimensions – and since those haven’t yet been spotted, that is a mark against the hypothesis.
Searching for stasis
Still, there are several ways in which near-future observations could find evidence of cosmic stasis in its various forms, one of which involves gravitational waves. We now routinely detect these ripples in space-time, typically produced by the collision of massive objects such as black holes. And in 2023, a fainter hum called the gravitational wave background was detected. This lower-level oscillation of space-time may have been initiated during inflation, among other possibilities. In the next decade, space telescopes such as the Laser Interferometer Space Antenna (LISA) plan to map this background hum in detail in order to decipher its origin.
Dienes and his team are now figuring out how these observations would be affected by epochs of cosmic stasis. Adding new e-folds of time into the inflation epoch would change the predictions made by existing models, says Erickcek. Meanwhile, other periods of stasis would leave a unique imprint on the gravitational wave background, says Huang.
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AEI/MM/exozet; GW simulation: NASA/C. Henze
Another possibility is that early periods of cosmic stasis would alter how matter is structured on small scales because the presence of radiation tends to prevent matter from clumping. This means lumps of dark matter would be smaller than those predicted by standard cosmology.
Astrophysicists are becoming adept at detecting these slight differences by observing how dark matter warps the light from stars behind them, an effect called microlensing. Likewise, timing arrays based on pulsars, astronomical objects that emit bright bursts of radiation at well-defined intervals, can detect small changes due to gravitational tugs from lumps of dark matter. “It’s hard – but there’s hope,” says Erickcek.
Already, others are beginning to explore the new paradigm of cosmic stasis. In August 2024, James Halverson and Sneh Pandya at Northeastern University in Massachusetts found that cosmic stasis arises from decaying towers of axions within models of string theory known as the axiverse.
Less than a century ago, the big bang seemed counterintuitive to most cosmologists. Now, the team who stumbled upon stasis hope that other researchers will embrace the unexpected once again and see that stillness may be as innate a part of the universe as change. Assuming that towers of particles exist, says Thomas, “some kind of stasis is likely going to be a part of nature”.
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