La forme de l’Univers pourrait ressembler à un beignet, selon des cosmologistes

Depuis qu’Albert Einstein a montré que l’espace et le temps pouvaient se creuser, se déformer et s’étirer comme le vieux matelas d’un motel bon marché, les cosmologistes scrutent le ciel en se demandant à quel aliment ressemble le plus la forme de notre Univers.

Est-il semblable à une Pringle infinie, incurvée vers le haut et vers l’extérieur pour l’éternité ? Pourrait-il être une pizza parfaitement plate, si l’on fait abstraction des bosses du pepperoni galactique et de la matière noire façon fromage ? Ou ressemble-t-il plutôt à une boulette de viande épicée, dont la courbure se referme sur elle-même de tous côtés ?

Un Univers en forme de beignet

Il pourrait aussi évoquer un beignet formant des boucles fermées dans plusieurs dimensions. Une équipe internationale de cosmologistes, récemment réunie au sein de la collaboration COMPACT, a analysé la lueur résiduelle du Big Bang. Sa conclusion : rien dans les motifs observés n’exclut un tel paysage cosmique, à condition qu’il présente les bonnes torsions.

Puisque « beignet cosmique entortillé » n’est pas encore un terme mathématique reconnu, les chercheurs parlent d’un tore à trois dimensions. Cette possibilité vertigineuse signifie qu’un bâton long de plusieurs dizaines de milliards d’années-lumière pourrait vous atteindre derrière la tête, quelle que soit la direction dans laquelle vous regardez.

Vous avez bien lu. On peut aussi imaginer notre Univers comme un immense palais des glaces : au lieu d’une succession de miroirs, l’espace-temps se replie dans toutes les directions. En théorie, en plissant suffisamment les yeux, vous pourriez même voir vos propres poches arrière.

Cette idée séduisante a été explorée à plusieurs reprises au fil des ans, et pas seulement parce que les physiciens apprécient les desserts raffinés. Des formes exotiques à une échelle immense pourraient nous orienter vers une physique expliquant comment notre Univers a émergé d’une graine de… quelque chose.

Le fond diffus cosmologique, témoin des débuts de l’Univers

Il y a environ 13,8 milliards d’années, tout ce que nous pouvons voir, ainsi que tout ce qui nous échappe, était concentré dans un espace incroyablement petit. La science ne sait pas encore le décrire : il faudrait pour cela combiner physique quantique et relativité générale, ce que nous ne maîtrisons pas encore.

En revanche, les instants durant lesquels l’espace s’est étiré et la matière qu’il contenait s’est refroidie peuvent être décrits. L’Univers a fini par s’étendre suffisamment pour qu’une partie de son rayonnement électromagnétique échappe aux foules denses d’électrons et de noyaux atomiques en formation.

Une fraction de ces photons libérés a évité toute collision depuis lors. Ils ont poursuivi leur route tandis que l’expansion de l’espace étirait leur lumière en longues nouilles froides de rayonnement micro-ondes.

Cette « lueur » de faible énergie porte le nom de fond diffus cosmologique, ou FDC. Cartographier ses infimes variations permet de se faire une idée approximative des premiers instants de l’expansion. Ces données sont utiles à certains modèles, mais l’échelle et les motifs de la carte dépendent largement de la forme de l’espace, ce qui laisse la porte ouverte à d’autres théories.

Si nous vivons dans une pizza géante, ces fluctuations devraient toutes refléter fidèlement la même échelle. Dans un Univers en forme de Pringle, la lumière pourrait se courber et faire paraître les variations plus grandes qu’elles ne le sont. Dans une boulette de viande, elle pourrait au contraire avoir été dilatée.

Et dans un beignet ? L’Univers serait topologiquement plat, comme une pizza, mais ses motifs se répéteraient. Ils pourraient révéler des phénomènes ouvrant des pistes radicalement nouvelles dans notre quête des origines de toute chose.

Ce que la collaboration COMPACT recherche dans les motifs du FDC

Malheureusement, aucun signe clair de ces boucles fermées de l’espace et du temps n’a encore été observé dans le FDC. Avant de vous écrier « affaire classée, et où est mon pain à l’ail galactique ? », sachez que les membres de la collaboration COMPACT invitent à ne pas conclure trop vite.

Dans leur première publication, ils avancent que certains Univers aux formes exotiques, fondés sur les versions les plus torsadées d’un tore à trois dimensions, restent compatibles avec le FDC.

Si le beignet ordinaire pose problème à certaines échelles, les versions du tore qui tordent la lumière ne peuvent pas être écartées aussi facilement : leurs motifs se déforment, mais conservent une corrélation.

La recherche de ces corrélations pourrait encore dévoiler des caractéristiques exotiques de la forme générale de notre Univers, avec peut-être des torsions et des courbures nécessitant une nouvelle physique pour les expliquer.

La théorie d’Homer Simpson, qui avait tant intrigué Stephen Hawking dans le dessin animé, n’était peut-être pas si absurde après tout.

Ces travaux ont été publiés dans Physical Review Letters.