Le Big bang est souvent décrit comme la naissance explosive de l’univers – un moment singulier où l’espace, le temps et la matière sont apparus. Mais que se passe-t-il si ce n’était pas du tout le début? Et si notre univers émergeait de quelque chose d’autre – quelque chose de plus familier et de radical en même temps?
Dans un nouveau journal, Publié dans Physical Review DMes collègues et moi proposons une alternative frappante. Nos calculs suggèrent que le Big Bang n’était pas le début de tout, mais plutôt le résultat d’un croquant ou d’un effondrement gravitationnel qui formait un très massif trou noir – suivi d’un rebond à l’intérieur.
Cette idée, que nous appelons l’univers des trous noirs, offre une vision radicalement différente des origines cosmiques, mais elle est entièrement ancrée dans la physique et les observations connues.
D’aujourd’hui modèle cosmologique standardbasé sur l’inflation Big Bang et Cosmic (l’idée que l’univers précoce a rapidement explosé), a remarquablement réussi à expliquer la structure et l’évolution de l’univers. Mais cela a un prix: il laisse certaines des questions les plus fondamentales sans réponse.
D’une part, le modèle Big Bang commence par une singularité – un point de densité infinie où les lois de la physique se décomposent. Ce n’est pas seulement un problème technique; C’est un problème théorique profond qui suggère que nous ne comprenons pas du tout le début.
Pour expliquer la structure à grande échelle de l’univers, les physiciens ont introduit une brève phase d’expansion rapide dans l’univers précoce appelé inflation cosmiquealimenté par un champ inconnu avec des propriétés étranges. Plus tard, pour expliquer l’expansion accélérée observée aujourd’hui, ils ont ajouté une autre composante « mystérieuse »: énergie sombre.
Bref, le modèle standard de cosmologie fonctionne bien – mais seulement En introduisant de nouveaux ingrédients Nous n’avons jamais observé directement. Pendant ce temps, les questions les plus élémentaires restent ouvertes: d’où tout est venu? Pourquoi cela a-t-il commencé de cette façon? Et pourquoi l’univers est-il si plat, lisse et grand?
Nouveau modèle
Notre nouveau modèle aborde ces questions sous un angle différent – en regardant vers l’intérieur au lieu de l’extérieur. Au lieu de commencer par un univers en expansion et d’essayer de retracer comment cela a commencé, nous considérons ce qui se passe lorsqu’une collection trop dense de matière s’effondre sous pesanteur.
Il s’agit d’un processus familier: les étoiles s’effondrent dans des trous noirs, qui sont parmi les objets les plus bien compris en physique. Mais ce qui se passe à l’intérieur d’un trou noir, au-delà de l’horizon de l’événement dont rien ne peut s’échapper, reste un mystère.
En 1965, le physicien britannique Roger Penrose a prouvé que dans des conditions très générales, L’effondrement gravitationnel doit conduire à une singularité. Ce résultat, étendu par feu le physicien britannique Stephen Hawking et autressous-tend l’idée que les singularités – comme celle du Big Bang – sont inévitables.
L’idée a aidé à gagner à Penrose une part du prix Nobel de la physique 2020 et un best-seller mondial de Hawking inspiré Une brève histoire du temps: du big bang aux trous noirs. Mais il y a une mise en garde. Ces « théorèmes de la singularité » reposent sur la « physique classique » qui décrit des objets macroscopiques ordinaires. Si nous incluons les effets de la mécanique quantique, qui régit les minuscules microcosmos des atomes et des particules, comme nous le devons à des densités extrêmes, l’histoire peut changer.
Dans Notre nouveau papiernous montrons que l’effondrement gravitationnel n’a pas à se terminer par une singularité. Nous trouvons une solution analytique exacte – un résultat mathématique sans approximations. Nos mathématiques montrent que lorsque nous abordons la singularité potentielle, la taille de l’univers change en tant que fonction (hyperbolique) du temps cosmique.
Cette simple solution mathématique décrit comment un nuage de matière effondré peut atteindre un état à haute densité, puis rebondir, rebondissant vers l’extérieur dans une nouvelle phase en expansion.
Mais comment se fait-il que les théorèmes de Penrose n’interdisent de tels résultats? Tout est dû à une règle appelée principe d’exclusion quantiquequi indique qu’aucune particules identiques appelées fermions ne peut occuper le même état quantique (comme le moment angulaire, ou « spin »).
Et nous montrons que cette règle empêche les particules de la matière qui s’effondrer d’être serrée indéfiniment. En conséquence, l’effondrement s’arrête et s’inverse. Le rebond n’est pas seulement possible – il est inévitable dans les bonnes conditions.
Surtout, ce rebond se produit entièrement dans le cadre de la relativité générale, qui s’applique à de grandes échelles telles que les étoiles et les galaxies, combinées aux principes de base de la mécanique quantique – pas de champs exotiques, de dimensions supplémentaires ou de physique spéculative requise.
Ce qui émerge de l’autre côté du rebond est un univers remarquablement comme le nôtre. Encore plus surprenant, le rebond produit naturellement les deux phases distinctes de l’expansion accélérée – l’inflation et l’énergie sombre – non pas par un champ hypothétique mais par la physique du rebond lui-même.
Prédictions testables
L’une des forces de ce modèle est qu’elle fait des prédictions testables. Il prédit une petite mais non nulle de courbure spatiale positive – ce qui signifie l’univers n’est pas exactement platmais légèrement incurvé, comme la surface du Terre.
Il s’agit simplement d’une relique de la petite surnalité initiale qui a déclenché l’effondrement. Si les observations futures, comme le Mission d’EuclideConfirmez une petite courbure positive, ce serait un fort indice que notre univers émerge en effet d’un tel rebond. Il fait également des prédictions sur le taux d’expansion de l’univers actuel, ce qui a déjà été vérifié.
Ce modèle fait plus que résoudre des problèmes techniques avec la cosmologie standard. Il pourrait également apporter un nouvel éclairage sur d’autres mystères profonds dans notre compréhension de l’univers précoce – comme l’origine des trous noirs supermassifs, la nature de la matière noire ou la formation hiérarchique et l’évolution des galaxies.
Ces questions seront explorées par de futures missions spatiales telles que Arrakihsqui étudiera des caractéristiques diffuses telles que les halos stellaires (une structure sphérique des étoiles et des grappes globulaires entourant les galaxies) et des galaxies satellites (plus petites galaxies qui orbitent des plus grandes) qui sont difficiles à détecter avec des télescopes traditionnels de la Terre et nous aideront à comprendre la matière noire et l’évolution de la galaxie.
Ces phénomènes pourraient également être liés à des objets compacts reliques – tels que des trous noirs – qui se sont formés pendant la phase de s’effondrer et ont survécu au rebond.
L’univers Black Hole offre également une nouvelle perspective sur notre place dans le cosmos. Dans ce cadre, tout notre univers observable se trouve à l’intérieur d’un trou noir formé dans un univers « parent » plus grand.
Nous ne sommes pas spéciaux, pas plus que la Terre dans la vision du monde géocentrique qui a conduit Galileo (l’astronome qui a suggéré que la Terre tourne autour du soleil aux XVe et 17e siècles) à être placée en résidence surveillée.
Nous ne voyons pas la naissance de tout de rien, mais plutôt la continuation d’un cycle cosmique – en forme de gravité, de mécanique quantique et des interconnexions profondes entre elles.
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