Les cosmologistes le savent, mais peu le disent : bien avant sa première seconde, l’Univers aurait déjà fait l’essentiel de sa croissance

Avant même d’atteindre sa première seconde d’existence, l’Univers aurait déjà accompli la quasi-totalité de son expansion. Un chiffre vertigineux circule parmi les cosmologistes depuis des décennies, mais il reste étrangement discret dans le débat public : une croissance d’un facteur 10 puissance 26, survenue en une fraction de temps que notre cerveau ne parvient même pas à se représenter.

Le secret caché dans les dix premières fractions de seconde de l’existence

On imagine souvent le Big Bang comme un point de départ unique, une sorte d’explosion originelle suivie d’une expansion régulière et progressive. Cette image, bien qu’intuitive, ne correspond pas à ce que décrivent les modèles cosmologiques les plus solides aujourd’hui. Entre le tout premier instant et la seconde qui suit, il se serait passé bien plus de choses que durant les treize milliards d’années qui ont suivi.

C’est précisément dans cette fenêtre temporelle minuscule que se cache l’essentiel de la croissance spatiale de l’Univers. Les physiciens parlent d’un épisode appelé inflation cosmique, un moment où l’espace lui-même se serait étiré à une vitesse qui dépasse largement celle de la lumière, sans que cela contredise la relativité d’Einstein. Car ce n’est pas la matière qui va plus vite que la lumière, c’est le tissu de l’espace-temps qui se dilate.

Ce détail a longtemps été réservé aux cercles de spécialistes, discuté dans des séminaires de physique théorique plutôt que dans les médias grand public. Pourtant, il change complètement la manière dont on doit se représenter les origines du cosmos. Avant même que la première seconde ne s’écoule, l’Univers avait déjà pris les dimensions qui allaient déterminer son destin pour les milliards d’années suivantes.

Comment un facteur 10 puissance 26 a redessiné les règles de l’espace-temps

Selon le modèle inflationnaire, l’Univers aurait grandi d’au moins 10 puissance 26 en taille entre 10 puissance moins 36 et 10 puissance moins 32 seconde après le Big Bang. Pour donner une idée de ce que représente un tel nombre, imaginez un grain de sable qui, en l’espace d’un battement de cil, atteindrait soudain la taille de la galaxie tout entière. C’est à peu près l’ordre de grandeur dont il est question ici.

Cette croissance ne s’est pas étalée progressivement comme l’expansion que l’on observe aujourd’hui, celle qui éloigne lentement les galaxies les unes des autres. Elle s’est produite dans un intervalle de temps si bref qu’il faudrait écrire trente-cinq zéros après la virgule pour exprimer sa durée en secondes. Rien dans notre expérience quotidienne ne permet de se figurer une telle rapidité.

Ce qui frappe les chercheurs, c’est que cette phase explosive se serait achevée presque aussi vite qu’elle avait commencé. L’Univers serait ensuite revenu à un rythme d’expansion bien plus modéré, celui que décrit la théorie du Big Bang classique. Autrement dit, tout ce que l’on observe aujourd’hui avec les grands télescopes ne concerne que l’épilogue d’une histoire dont le chapitre le plus spectaculaire s’est joué dans un silence absolu, bien avant que la lumière ne puisse voyager librement.

L’inflation cosmique, cette théorie qui explique ce que le Big Bang seul ne peut expliquer

La théorie du Big Bang, à elle seule, laisse plusieurs questions sans réponse satisfaisante. Pourquoi l’Univers semble-t-il aussi homogène dans toutes les directions, alors que des régions très éloignées n’auraient jamais eu le temps d’échanger la moindre information entre elles ? Pourquoi sa géométrie apparaît-elle aussi plate, sans la moindre courbure détectable, là où les modèles les plus simples prédisaient plutôt un espace tordu ?

L’inflation cosmique répond précisément à ces énigmes. En étirant l’espace de manière aussi démesurée, cette phase aurait gommé toutes les irrégularités initiales, un peu comme on lisse les plis d’un drap en le tirant fermement par les deux bouts. Les petites fluctuations quantiques présentes à l’origine auraient, elles, été amplifiées à des échelles cosmiques, devenant les graines des futures galaxies et amas de galaxies.

Cette théorie n’est pas une simple spéculation de physiciens en mal de récit. Elle a traversé des décennies de confrontation aux observations et continue de guider les grands programmes d’astrophysique actuels. C’est d’ailleurs cette recherche des traces de l’inflation qui motivait un projet américain ambitieux, nommé CMB-S4, pensé dès 2013 et classé à plusieurs reprises comme une priorité par la communauté scientifique des États-Unis.

Ce programme, dont le budget avoisinait les 900 millions de dollars partagés entre le Département de l’Énergie et la National Science Foundation, prévoyait de nouveaux réseaux de télescopes micro-ondes au pôle Sud et dans le désert d’Atacama, au Chili. Environ 400 chercheurs y étaient associés. Mais les deux agences de financement ont fini par annoncer qu’elles ne pouvaient plus soutenir le projet, qui procède désormais à un arrêt ordonné de ses opérations, en documentant soigneusement ses avancées techniques pour l’avenir.

Les difficultés logistiques n’ont rien arrangé. La NSF avait déjà prévenu que le site du pôle Sud devenait difficilement accessible, avec des bâtiments s’enfonçant peu à peu dans la neige, une puissance électrique insuffisante et un hébergement trop limité pour accueillir le personnel scientifique. Les responsables du projet avaient pourtant passé plus d’un an à retirer certains instruments du plan et à réduire de moitié le coût estimé, sans parvenir à sauver le programme.

Les traces fossiles d’une croissance fulgurante encore visibles dans le ciel aujourd’hui

Heureusement, l’arrêt de CMB-S4 ne signifie pas la fin de la quête. D’autres instruments prennent le relais, avec des ambitions tout aussi sérieuses. Le Simons Observatory, installé lui aussi dans le désert d’Atacama, a commencé à collecter ses premières données il y a peu, lançant un programme d’observation prévu pour durer une dizaine d’années.

L’objectif est double. D’une part, affiner la mesure du fond diffus cosmologique, ce rayonnement fossile émis lorsque l’Univers est devenu transparent à la lumière, quelques centaines de milliers d’années après le Big Bang. D’autre part, traquer les signatures indirectes des ondes gravitationnelles primordiales, ces vibrations de l’espace-temps qui pourraient avoir été générées pendant l’épisode inflationnaire lui-même.

Le grand télescope de l’observatoire a obtenu sa première lumière récemment, marquant une étape concrète après des années de conception. Les scientifiques impliqués espèrent également recenser des dizaines de milliers d’amas de galaxies, ces immenses structures qui permettent de cartographier la distribution de la matière à travers l’Univers observable, matière noire comprise.

De son côté, le Japon avance sur un projet complémentaire mais situé dans l’espace plutôt qu’au sol. La mission LiteBIRD, pilotée par la JAXA, vient de franchir une étape de validation importante dans son développement. Elle vise un lancement vers le point de Lagrange L2 à bord d’une fusée H3, avec pour mission d’observer la polarisation du fond diffus cosmologique depuis l’espace, à l’abri des perturbations atmosphériques qui compliquent les observations terrestres.

Ces différents instruments, qu’ils soient basés au Chili ou en orbite, poursuivent tous le même objectif de fond: lire dans le ciel actuel les empreintes laissées par cette expansion colossale survenue dans l’infime fraction de seconde qui a suivi le Big Bang. Le fond diffus cosmologique agit un peu comme une photographie granuleuse de l’Univers bébé, et chaque grain de cette image porte potentiellement la marque de cette croissance fulgurante.

Ce que ces télescopes cherchent précisément, ce sont des motifs de polarisation très particuliers dans cette lumière fossile, des signatures que seule une phase inflationnaire aurait pu produire. Leur détection confirmerait de manière éclatante ce que la théorie prédit depuis des décennies. Leur absence persistante, en revanche, obligerait les physiciens à revoir certains aspects du modèle, sans pour autant remettre en cause l’idée générale d’une expansion extrêmement rapide aux premiers instants.

Ce chapitre de la cosmologie illustre à quel point les plus grandes transformations de notre Univers se sont jouées dans un silence et une rapidité qui défient l’intuition. Avant même que le temps n’ait vraiment eu le loisir de s’écouler, l’espace avait déjà pris les proportions qui allaient façonner tout ce qui suivrait, des premières étoiles jusqu’à la galaxie que nous habitons. Les instruments actuels et futurs, du Simons Observatory aux satellites comme LiteBIRD, portent l’espoir de transformer cette intuition théorique en certitude observationnelle, et de redonner enfin à ce récit fondateur toute la place qu’il mérite dans la compréhension collective de nos origines.