Cosmologie : Les Univers jumeaux

Les Univers Jumeaux :
A-t-on perdu la moitié de l'univers ?

J'ai introduit cette théorie dans la page "paradoxes". mais ici il me semble nécessaire de présenter plus en détail cette construction géniale due à l'esprit prolixe de Jean-Pierre Petit (que je désignerai par JPP dans la suite). Pour être précis, l'idée des univers jumeaux est, historiquement, due à Anatoly Sakharov. Mais le développement complet de la théorie est du à JPP.
On pourra trouver un exposé très clair de cette théorie dans le livre de JPP : On a perdu la moitié de l'univers . JPP a également publié sa théorie dans des revues scientifiques au top niveau (des revues a refferee, comme on dit) : Même si l'approche que j'en donne ici peut paraître simpliste, c'est une théorie fort sérieuse, avec équations et tout le toutim. De plus, comme tout bonne théorie scientifique, elle prédit des phénomènes nouveaux, qui pourraient être observés (et confirmer la théorie)... ou pas, et donc l'infirmer. Mais ceci est le cas de n'importe quelle théorie scientifique, par définition même...

Pourquoi des univers jumeaux ?

La théorie des univers jumeaux est une solution au problème de la "matière sombre" : La masse de l'univers semble être plus importante que celle de la seule matière visible (celle des étoiles et des nuages de poussière interstellaire). Elle donne également une solution à la question : pourquoi les galaxies ne tournent-elles pas rond ? Oui, pourquoi les vitesses mesurées de révolution des étoiles autour du noyau de leur galaxie sont-elles aberrantes ?
L'explication "classique" de ces phénomènes est que les galaxies sont environnées d'un nuage de matière "exotique", invisible, mais dont les effets gravitationnels se font sentir. De quoi serait faite cette "matière sombre" ? Là, mystère. On parle de particules exotiques, de super cordes, de monopoles magnétiques... Rien de tout ça ne tient vraiment la route.

Matière Sombre contre matière-Ombre

Au contraire, la théorie de JPP est cohérente, géométriquement simple, et ne fait pas appel à une physique inconnue. En voici le principe : il n'existerait pas un univers, mais deux : Nous vivons dans l'un de ces univers, et l'autre, l'univers jumeau, occupe le même espace tridimensionnel  mais nous est invisible. On verra plus loin pourquoi. JPP désigne la matière contenue dans l'univers jumeau sous le nom de matière-ombre.
Les deux univers sont fort semblables : Dans l'univers jumeau, il existe également de la matière et de l'antimatière (dans l'antimatière-ombre, pour être précis). Les lois physiques qui régissent cet univers jumeau sont les mêmes que celles de notre univers. (Mais il se pourrait que les constantes physiques y soient différentes, en particulier la vitesse de la lumière (mais si, c'est possible et ça ne contredit pas la relativité !)). Par exemple la gravitation dans l'univers jumeau est attractive, comme chez nous : deux particules (ou antiparticules) de matière-ombre s'attirent mutuellement.
Là ou les choses deviennent intéressantes, c'est que matière ordinaire et matière-ombre interagissent UNIQUEMENT par la gravitation : Les forces électromagnétiques entre particules de matière-ombre n'ont aucune influence sur la matière ordinaire. Pour cette raison les photons-ombre émis par la matière-ombre nous sont invisibles : on ne peut détecter cette matière-ombre QUE par ses effets gravitationnels.
Mais l'idée géniale de JPP, c'est de postuler que "la constante de couplage" de l'interaction gravitationnelle entre les deux univers est négative : matière-ombre et matière ordinaire se repoussent mutuellement :

interaction gravitationnelle
matière ordinaire
matière-ombre

matière ordinaire (notre univers)
Attraction
Répulsion

matière-ombre (univers jumeau)
Répulsion
Attraction

Il est donc logique qu'il soit difficile, pour ne pas dire impossible, de mettre en évidence la matière-ombre dans une expérience de laboratoire sur terre : la matière-ombre "fuit" la matière ordinaire et en fait il ne doit pas en exister des masses à l'intérieur des galaxies : la matière-ombre se trouve en fait dans l'espace intergalactique, pour des raisons "historiques".

L'environnement des galaxies

En fait il faut imaginer que l'espace entre les galaxies est rempli de matière-ombre, mais que cette distribution contient d'immenses bulles vides à l'emplacement, précisément, des galaxies de notre univers :

Or il se trouve que les effets gravitationnels de ces "lacunes" de matière-ombre sont, du fait de la constante de couplage répulsive entre matière ordinaire et matière ombre, identiques aux effets qu'aurait un nuage plus ou moins sphérique de "matière sombre" (hypothétique) qui se trouverait dans la galaxie. On explique ainsi les vitesses anormales (observées) de révolution des étoiles autour du noyau de la galaxie, sans faire appel à une "matière sombre" exotique située dans notre univers, et dont on se demande bien de quelle particules non encore découverte elles pourrait bien être faite.

Au contraire, la matière-ombre, située dans l'univers jumeau, possède les mêmes caractéristiques physiques que la matière ordinaire : elle est vraisemblablement formée également d'atomes, de molécules, etc. Seulement pour des raisons géométriques, les objets matériels situés dans deux univers différents se repoussent entre eux, un point c'est tout.

Un seul cosmos replié ?

 En réalité il pourrait bien s'agir du même cosmos, mais "replié" sur lui même, un "revêtement à deux feuillets" d'une surface quadridimensionnelle. Pour donner une image, l'univers serait semblable (en quatre dimensions) à une sorte de ruban de moebius replié sur lui-même :

Évidemment, ici le ruban ne possède que deux dimensions...
Dans l'univers jumeau, la "flèche du temps" serait inversée. La matière-ombre serait ainsi de la matière ordinaire, passée à travers une "symétrie-T" (T pour temps), alors que l'anti-matière (ordinaire) possède une symétrie "PC" (parité et charge). Notons que le principe de "l'invariance PCT" reste valide...  On en reparlera dans mes pages consacrées à la physique .

En attendant voici une vidéo de jean-pierre Petit qui explique très bien tout ça :

La solution de la structure à grande échelle de l'univers

Le modèle des univers jumeaux fournit en outre "gratuitement" l'explication de la structure à très grande échelle de l'univers : Pourquoi les super-amas de galaxies semblent-ils regroupés en longs "filaments" séparés par des vides immenses, comme si l'univers était fait de gruyère ?
Très simplement : l'ensemble matière + matière-ombre est naturellement instable, et l'une ou l'autre de ces deux matières tend à se regrouper en amas sphériques, tandis que l'autre tend à former un gruyère dont les trous contiennent l'autre matière. Ce n'est pas simplement une idée, ni même une simulation informatique, mais cela peut être prouvé analytiquement. L'univers a la forme qu'il a parce qu'il DOIT avoir cette forme. Attention : je parle de la forme GLOBALE de l'univers, à l'échelle des super-amas de galaxies, s'étendant sur des centaines de millions d'années lumière, et pas de la forme locale, à l'échelle des galaxies, où c'est exactement l'inverse qui se passe).
Pourquoi est-ce dans notre univers que s'est créée la forme "gruyère", tandis que dans l'univers jumeau, la matière semble regroupée en immenses amas sphériques ? Tout simplement parce que c'est dans celui-ci que nous vivons. Si des créatures intelligentes existent dans l'univers jumeau, elles doivent se poser la question inverse.
De plus, la théorie des univers jumeaux donne une solution élégante à l'expansion de l'univers, sans utiliser la constante cosmologique. JPP en donne une image très claire : Imaginons que, peut de temps après le Big bang, matière ordinaire et matière-ombre étaient spatialement très proches l'une de l'autre. Du fait de l'effet de répulsion entre ces deux formes de matière, l'ensemble doit se dilater. Si l'espace n'avait qu'une dimension, ce serait comme si matière et matière-ombre étaient des patins à roulettes, alternés, et portant chacun des aimants répulsifs : chacun repoussant l'autre, l'ensemble se dilate. Limpide !

Des preuves ?...

La théorie des univers jumeaux peut être prouvée par l'observation, mais ces observations sont extrêmement difficiles et il faudra des grands télescopes spatiaux pour y arriver. En effet, JPP indique qu'il doit exister des "anomalies" dans la mesure de la constante de Hubble, et que celle-ci doit varier a peu près sinusoidalement autour de la valeur moyenne en fonction de la distance (dans une direction donnée). Il devrait donc exister un grand nombre de galaxies "anormales", dont le décalage vers le rouge (red shift) ne correspond  pas bien avec celui qui serait calculé avec une vraie constante.  Pour mesurer cela, il faudrait connaître la distance vraie de galaxies très éloignées, en la mesurant par une autre méthode que celle du red shift (par exemple en y observant des étoiles "céphéïdes", étoiles variables dont la période est corrélée avec la luminosité vraie) : très délicat, en vérité.
Mais il y a plus simple : si on pouvait observer des couples de galaxies partiellement masquées l'une par l'autre, alors il serait évident que l'une d'elles serait plus éloignée : si par hasard cette dernière présentait un décalage vers le rouge moindre que celui de la galaxie la plus proche, on aurait un exemple flagrant de "red shift anormal" Et justement le "catalogue d'anomalies" établie par l'astronome Arp recense des dizaines de cas semblables... et pour le moment inexpliqués : Alors, c'est pas une preuve, ça ?.
Une autre preuve : les anomalies de la trajectoire des sondes spatiales pionneer X et pionneer XI, qui sont les objets construits par l'homme les plus éloignés du soleil. Aucune explication n'avait été trouvée jusqu'à présent. Mais ces anomalies s'expliquent très bien dans le cadre des univers jumeaux... (voir la BD ci-dessous).

Une nouvelle BD sur les univers jumeaux !

Jean-Pierre petit vient de mettre en ligne sur le site de "savoir sans frontières" la BD "Univers geméllaire", qui est une explication claire et saisissante de ce qui précède, en même temps qu'une introduction à la théorie mathématique sous-jacente. Ne vous laissez pas avoir par le coté "BD": tout ça est très profond et ça vaut vraiment le coup de lire, même (surtout !) si vous êtes scientifiques !

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