Une nouvelle étude de Scientific Reports propose une extension du modèle electron Born self-energy (eBse), dévoilant un mécanisme d’inflation cosmique entraîné par une densité d’énergie potentielle constante, remettant ainsi en question le paradigme cosmologique conventionnel.
L’énergie noire est une force mystérieuse qui imprègne l’univers, provoquant une accélération de son expansion. Elle constitue environ 68 % du contenu énergétique total du cosmos.
Contrairement à la matière noire, l’énergie noire ne s’agglutine pas mais semble être uniformément distribuée. La nature de l’énergie noire reste mal comprise et elle est souvent associée à la constante cosmologique, représentée par la lettre grecque Λ.
Λ est une densité d’énergie constante dans l’espace, initialement introduite par Einstein et reconsidérée plus tard pour expliquer l’expansion accélérée observée de l’univers, souvent associée à l’énergie noire.
Les modèles cosmologiques traditionnels, tels que le modèle ΛCDM, associent énergie noire et énergie du vide. Dans ce modèle, l’énergie noire est considérée comme l’énergie intrinsèque du vide lui-même, à l’origine de l’expansion accélérée de l’univers observée dans les récentes études cosmologiques.
Le modèle eBse, présenté par le Dr Bruce Law de l’université d’État du Kansas, remet en question ce paradigme en proposant une autre explication pour l’énergie noire, à savoir que l’énergie est associée au champ électrique entourant un électron de taille finie, un concept qui n’est pas pris en compte dans le cadre cosmologique traditionnel.
Cet écart par rapport à la compréhension conventionnelle conduit à une réévaluation des mécanismes sous-jacents à l’inflation cosmique et à la nature de l’énergie noire.
L’inflation cosmique et le modèle ΛCDM
L’auteur de l’étude, le Dr Law, a expliqué à Phys.org : « Dans le paradigme cosmologique standard, l’expansion de l’univers est expliquée à l’aide de deux théories distinctes : l’inflation cosmique, aux premiers temps, et le modèle ΛCDM, à des temps plus tard. »
L’inflation cosmique propose une expansion rapide et exponentielle de l’univers dans ses premiers instants. Ce cadre théorique vise à remédier aux lacunes du Big Bang en expliquant l’homogénéité et l’isotropie observées à grande échelle de l’univers.
Au début de l’histoire de l’expansion de l’univers, lorsque l’inflation cosmique est applicable et que les températures sont suffisamment élevées, les photons sont convertis en électrons et positrons par un processus connu sous le nom de création.
Simultanément, le processus inverse (annihilation) se produit, où les électrons et les positrons s’annihilent en photons. Un équilibre s’établit entre le nombre de photons, d’électrons et de positrons dans un volume donné.
À mesure que les températures augmentent, atteignant une température de transition vitreuse (TG), une transition de phase se produit, provoquant un déséquilibre du plasma électron-positon.
Cette température de transition vitreuse, décrite par TG = 1,06 × 1017K, marque un point crucial dans le modèle eBse. Au-delà de TG, l’univers subit une accélération exponentielle, caractérisée par une densité d’énergie potentielle constante.
Le modèle ΛCDM, qui englobe les dernières étapes de l’évolution de l’univers, décrit la structure à grande échelle en incorporant la matière noire et l’énergie noire.
En revanche, le modèle eBse remet en question ce paradigme en introduisant un mécanisme différent d’inflation cosmique.
Le modèle eBSe
Le Dr Law a présenté ce modèle en 2020. Il a expliqué : « Imaginez l’espace intergalactique aujourd’hui comme un seul atome d’hydrogène. Cet atome peut être ionisé (proton et électron) ou non ionisé, la fraction d’ionisation ( 50 %) représentant le champ électrique de l’électron, auquel manque le modèle ΛCDM. »
« Mon idée est que si les électrons et les positons ont une taille finie, il devrait y avoir des changements dans la physique lorsqu’ils sont étroitement compactés. J’ai donc étendu le modèle à des scénarios électron-positon denses pour vérifier sa cohérence avec les observations astrophysiques. »
Le modèle eBse introduit un cadre unique pour comprendre l’inflation cosmique, identifiant la température (T) comme l’inflation et la densité d’énergie potentielle ψ(T) comme un potentiel de plateau.
Au fur et à mesure de l’évolution de l’univers, la température subit des variations, influençant le comportement du système. Parallèlement, ψ(T) étant caractérisé comme un potentiel de plateau (une région relativement stable dans le paysage énergétique potentiel), suggère que le système reste relativement stable et présente un état d’énergie potentielle cohérent pendant cette plage de température.
Cette perspective distinctive devient particulièrement évidente au-dessus de la température de transition vitreuse (TG), où le modèle eBse induit naturellement une inflation cosmique, marquée par une expansion exponentielle.
Fondamentalement, le potentiel de plateau guide le comportement du système, garantissant la stabilité dans certaines plages de température. Le modèle passe de manière transparente au modèle ΛCDM en dessous d’une température critique (TX), formant un lien cohérent entre les premiers et derniers stades de l’évolution de l’univers.
Contrairement aux modèles traditionnels, le modèle eBse résout efficacement les inconvénients associés à l’inflation cosmique. Il élimine le besoin d’affiner les paramètres et propose des calculs explicites des densités d’énergie potentielle et cinétique, améliorant ainsi son pouvoir explicatif.
Validation du modèle et travaux futurs
M. Law a souligné que « mon modèle (pour la période d’inflation cosmique) est cohérent avec les résultats de l’inflation cosmique obtenus en 2013 par la collaboration Planck. Les résultats de Planck découlent d’une analyse détaillée des fluctuations de température dans le fond diffus cosmologique (CMB). Un test plus sévère de mon modèle serait de le comparer directement aux fluctuations de température du CMB ».
Pour l’avenir, il voit le modèle eBse offrir une description complète de l’histoire de l’expansion de l’univers, remettant en question le modèle standard et le paradigme cosmologique conventionnel.
Notamment, le modèle eBse est en concurrence avec le modèle ΛCDM, avec des comparaisons avec des mesures astrophysiques et un accent particulier sur les fluctuations de température du CMB.
Bien que le modèle eBse soit prometteur, son caractère incomplet actuel incite à l’explorer, abordant des questions telles que le transport photonique et les fluctuations quantiques. Le Dr Law reconnaît sa nature trop simpliste, soulignant le travail en cours pour affiner et élargir ce modèle.
Les résultats de l’étude sont publiés dans Scientific Reports.
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