Introduction
L'inflation cosmique est un concept révolutionnaire en cosmologie, introduit au début des années 1980. Il postule qu'aux alentours de 10^-36 à 10^-32 secondes après le Big Bang, l'univers a subi une expansion d'une violence et d'une rapidité inimaginables, augmentant sa taille d'un facteur d'au moins 10^26 (et potentiellement bien plus) en un temps incroyablement court. Cette phase transitoire, pilotée par un champ scalaire énergétique appelé 'inflaton', a radicalement transformé la géométrie et le contenu de l'univers naissant, posant les bases de l'univers homogène et isotrope que nous observons aujourd'hui.
Description
La théorie de l'inflation décrit une période où la gravité a agi comme une force répulsive, due à l'énergie potentielle dominante d'un champ quantique (l'inflaton). Pendant cette phase, l'expansion était de type exponentiel, semblable à celle décrite par une constante cosmologique mais de manière transitoire. L'inflation s'achève lorsque le champ inflaton 'roule' vers le bas de son potentiel, convertissant son énergie potentielle en particules élémentaires et en rayonnement, réchauffant ainsi l'univers et initiant l'ère chaude du Big Bang standard. Ce processus est appelé 'rethermalisation'. L'inflation génère également des fluctuations quantiques microscopiques et les étire à des échelles cosmologiques. Ces fluctuations de densité deviennent les germes de toutes les structures de l'univers : galaxies, amas de galaxies. Elles impriment aussi une signature spécifique dans le fond diffus cosmologique (CMB), sous forme de légères anisotropies de température et de polarisation.
Histoire
La théorie a été proposée indépendamment et sous différentes formes au début des années 1980 par Alan Guth (qui a forgé le terme 'inflation'), Andrei Linde (qui a proposé les modèles de 'nouvel inflation' et 'inflation chaotique'), ainsi que par Katsuhiko Sato et d'autres. Alan Guth a initialement développé l'idée pour résoudre le 'problème de l'horizon' (pourquoi l'univers est si uniforme) et le 'problème de la platitude'. Le modèle initial de Guth (inflation ancienne) présentait des difficultés techniques, rapidement améliorées par les propositions de Linde et de Paul Steinhardt & Andreas Albrecht. Depuis, l'inflation est devenue un paradigme central de la cosmologie, constamment affiné et confronté aux observations de plus en plus précises, notamment celles des satellites COBE, WMAP et Planck.
Caracteristiques
1. Expansion exponentielle : L'échelle de l'univers augmente de façon exponentielle avec le temps pendant la phase inflationnaire. 2. Résolution des problèmes classiques : Elle résout naturellement le problème de l'horizon (homogénéité), le problème de la platitude (géométrie spatiale plate), et le problème des monopôles magnétiques (en les diluant à une densité négligeable). 3. Génération des perturbations primordiales : Les fluctuations quantiques du champ inflaton sont étirées et deviennent des fluctuations classiques de densité, avec un spectre presque invariant d'échelle (légèrement 'rouge'), prédit par la plupart des modèles. 4. Univers observable comme une petite région : Notre univers entier observable ne serait qu'une infime partie d'une région beaucoup plus grande devenue homogène pendant l'inflation, elle-même potentiellement issue d'un 'multivers' en expansion éternelle selon certains modèles. 5. Prédictions testables : Elle prédit une géométrie spatiale plate de l'univers, un spectre spécifique des anisotropies du CMB, et la présence d'un fond d'ondes gravitationnelles primordiales de très longue longueur d'onde (mode B de polarisation).
Importance
L'inflation cosmique est un pilier de la cosmologie moderne. Elle fournit un cadre mécanistique pour les conditions initiales du modèle du Big Bang chaud. Ses prédictions sur les anisotropies du CMB (notamment le spectre de puissance et les rapports d'amplitude entre modes scalaires et tensoriels) sont constamment testées par les observations, qui jusqu'à présent la confortent de manière remarquable, sans toutefois apporter de preuve définitive et unique. Elle a profondément influencé notre compréhension de l'univers primordial, reliant la physique des particules à haute énergie et la cosmologie. Elle ouvre également des perspectives vertigineuses sur la possibilité d'un multivers et sur l'origine ultime de l'univers à partir de fluctuations quantiques. Cependant, elle reste une théorie, et des modèles alternatifs (comme le 'Big Bounce' ou les modèles d'univers ekpyrotique) sont également explorés.
