Que s’est-il passé juste après le Big Bang ? Les axions pourraient résoudre le mystère

Que s’est-il passé juste après le Big Bang ? Une équipe de scientifiques propose une nouvelle piste pour tenter de découvrir ce qui est advenu après cet événement à l’origine de l’expansion de l’Univers. Leurs travaux ont été publiés dans Physical Review D le 7 juin 2021, et relayés par l’Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l’univers à l’Université de Tokyo.

Ces scientifiques s’intéressent à une particule hypothétique, l’axion. On soupçonne que les axions qui auraient été produits juste après la naissance de l’Univers pourraient être à l’origine de la matière noire, elle aussi hypothétique. Pour ces chercheurs, identifier cet axion permettrait de savoir enfin ce qui a bien pu passer à peine une seconde après le Big Bang.

L’Univers serait « inondé d’une mer d’axions »

Afin de remonter dans le passé de notre Univers, les scientifiques utilisent ce qu’on appelle le fond diffus cosmologique (CMB, pour « Cosmic Microwave Background »). C’est, en quelque sorte, le rayonnement résiduel du Big Bang. Avec ce fond diffus cosmologique, on peut remonter à environ 14 milliards d’années, lorsque l’Univers avait assez refroidi pour que les protons et les électrons se combinent. Néanmoins, les photons du CMB ont été émis après le Big Bang, au bout d’environ 400 000 ans. Avant cela, les photons ne pouvaient pas parcourir de grandes distances : l’Univers primitif (jeune) était opaque. Tout cela aide à comprendre pourquoi il est si complexe d’étudier l’histoire de l’Univers jusqu’à ses 400 000 ans.

Les auteurs vont plus loin que l’étude des photons, et se demandent si des axions auraient pu être émis dans la toute première seconde de l’histoire de l’Univers. Ils proposent même de rechercher ce qu’ils appellent un « fond d’axion cosmique » (ou CaB, pour « Cosmic axion Background »), soit un équivalent hypothétique du fond diffus cosmologique. « Nous considérons la possibilité de détecter un CaB, un fond ultrarelativiste d’axions reliques. Étant naturellement légers, les axions produits dans l’Univers jeune sont généralement relativistes et peuvent exister sur une large gamme d’énergies possibles. Sa détection contiendrait des empreintes de l’histoire de l’Univers dans son spectre énergétique », détaillent ces scientifiques. Ils estiment que l’Univers pourrait « être inondé d’une mer d’axions relativistes ».

Pour aller plus loin

Quelle était la première couleur dans l’univers ?

Quatre scénarios différents pour la production du CaB (et les questions qui pourraient trouver une réponse si on identifiait l'un de ces scénarios).

Source : Dror et al.

Confirmer l’axion et étudier un « fossile » de l’Univers

Identifier ce CaB permettrait de faire deux découvertes en même temps :

• Cela confirmerait l’existence de l’axion, ce qui serait déjà une grande avancée,
• Et ce fond constituerait une sorte de nouveau « fossile » de l’Univers jeune, permettant d’en savoir encore plus sur son évolution.

Pour ces auteurs, des expériences comme MADMAX (« Magnetised Disc and Mirror Axion experiment »), HAYSTAC (« Haloscope At Yale Sensitive To Axion CDM »), ADMX (« Axion Dark Matter Experiment ») ou DMRadio (« Dark Matter Radio »), qui s’intéressent toutes à la recherche des axions, pourraient avoir la sensibilité suffisante pour détecter le CaB. Dès lors, ceci aiderait à répondre à des questionnements importants en cosmologie (la science qui étudie l’origine et l’évolution de l’Univers), comme savoir jusqu’à quel point l’Univers est devenu chaud.

Même s’il s’avérait finalement que la matière noire n’est pas constituée d’axions, la recherche du CaB ne serait pas forcément vaine, puisque les axions pourraient fournir un aperçu de notre Univers à peine âgé d’une seconde. « La détection directe de reliques relativistes offre une nouvelle opportunité puissante d’en apprendre davantage sur l’Univers primitif et, potentiellement, de découvrir l’axion », résument les auteurs.