La Cosmologie-Cyclique-Conforme nous ouvre, comme jamais, des perspectives sur l’Infini

La théorie de la cosmologie-cyclique-conforme, « CCC », a été mise à l’honneur récemment par l’attribution du Prix Nobel de physique 2020 à son concepteur, Roger Penrose. Elle entrouvre de façon innovante et spectaculaire une fenêtre sur les univers qui auraient pu exister avant le nôtre et ceux qui pourraient exister après. Elle propose des réponses séduisantes à certaines questions qui se posent pour la compréhension de l’univers présent mais, outre qu’elle reporte à toujours plus loin les réponses aux questions sur notre Origine et notre Fin, elle n’est pas (encore) validée par l’observation.

L’hypothèse de la CCC suppose que toutes les particules possédant une masse, les fermions (c’est-à-dire notamment les protons et les électrons), finissent, sur la durée, par disparaitre de l’Univers où nous nous trouvons (en en ayant épuisé les possibilités d’entropie), transformées en pur rayonnement. Cela inclut l’évaporation de toute masse de cet univers y compris leurs ultimes concentrations, c’est-à-dire les trous noirs supermassifs après qu’ils auront englouti toute matière qui se trouve et se trouvera dans leur sphère d’influence gravitationnelle. Cela inclut aussi, par auto-désintégration, les particules dotées d’une masse subsistant en dehors des trous noirs, c’est-à-dire celles qui auraient été trop éloignées pour être absorbées par les trous noirs ou s’annihiler entre elles (problème des électrons).

On peut comparer cet aboutissement à un certain épuisement au bout d’une très longue vie, cet épuisement étant dû au temps et à l’expansion (l’étirement de l’espace), en quelque sorte à la fois à la victoire temporaire de l’expansion sur la gravité qui ne disparait pas mais qui n’a plus d’objet, et au parachèvement de l’entropie.

C’est en effet sur l’évolution de l’entropie jusqu’à son terme et sur une contradiction qui apparait entre le niveau de cette entropie aujourd’hui en regardant vers le passé jusqu’au Big-bang, que repose le raisonnement de Roger Penrose.

Il est maintenant bien établi dans la communauté des cosmologues que nous allons vers toujours plus d’entropie et ce dans un sens immuable (application du second principe de thermodynamique). Cela implique qu’en regardant vers le passé, on devrait constater symétriquement une entropie de plus en plus basse, jusqu’à une entropie nulle au moment du Big-bang. Or la diversification de la matière dès le début de l’Univers observable (à la surface de dernière diffusion, « CMB ») montre une complexité certes faible mais déjà apparente, porteuse de la complexification (entropie) toujours croissante, en fonction de l’activation des forces de gravitation, que l’on constate ensuite (du fait même que l’expansion permet cette activation en désagrégeant la masse compacte initiale).

De « l’autre côté », à l’autre bout du processus, cette entropie croissante toujours portée par l’expansion, conduit au bout d’une durée tendant vers l’infini, à une époque très lointaine (au-delà des 1010^76 ans qu’aurait calculé Freeman Dyson) où toute matière sera refroidie à tel point que les derniers trous noirs supermassifs l’ayant rassemblée, paraîtront plus chauds que leur environnement. Dans cet environnement où les trous noirs seront les derniers astres (puisque leur force d’attraction est la plus forte), l’évaporation de Hawking (théorisée par Stephen Hawking et constituée de photons) qui en provient, s’accélérera jusqu’à ce qu’ils explosent et disséminent la totalité de l’énergie dont ils étaient porteurs dans un espace tellement distendu qu’ils ne pourront plus se reconcentrer.

Ce que théorise Roger Penrose pour expliquer la présence d’entropie dans l’univers primordial c’est que tous les constituants de l’univers précédant ne se désintègrent pas. Ce sont les fermions (neutrons, protons, électrons) qui subissent l’usure du temps. Les bosons, sans dimensions mais qui déterminent les champs, subsistent, passant d’un univers à l’autre ou plutôt selon la terminologie de Penrose, d’un « éon » d’univers à l’autre, de même que la « géométrie conforme » qui structure le tout (elle conserve les angles non les distances) et la force gravitationnelle, devenue sans objet puisque les fermions se sont évaporés dans des ensembles distendus à l’extrême.

Ce qui subsiste se reconcentre (selon un « redimensionnement conforme »*) en une nouvelle origine, extraordinairement dense (en fait un nouveau mais unique trou noir), réutilisant la potentialité de la matière évanouie, et animé d’une force d’expansion extrêmement puissante résultant du résidu de force gravitationnelle du précédent éon (ce qui expliquerait la densité primordiale et l’accélération de l’expansion « dans l’œuf » du nouvel éon et qui dispenserait de recourir à l’énergie sombre). Du fait de son extrême densité, cette matière explose alors**, lors d’un nouveau big-bang, en un nouvel éon chargé dès le début du résidu d’entropie de son prédécesseur.

*en fait selon Roger Penrose il n’y a pas à proprement parler « contraction » mais « changement d’échelle », les « structures-conformes » pouvant être vues comme une famille de structure métriques équivalentes l’une à l’autre via ce changement d’échelle. Pour un espace-temps, la structure conforme est sa structure de cône de lumière (« light cone » ou « sablier » si vous  préfèrez).

**mais selon Roger Penrose, l’explosion n’implique pas de phase d’inflation (phase d’expansion exponentielle) avant de parvenir à la surface de dernière diffusion (CMB) comme prévu par l’actuelle théorie standard de la cosmologie.

Compte tenu de la conformité de la géométrie de cet éon avec celle de son prédécesseur il devrait subsister en lui, ou à sa surface pour l’observateur que nous sommes, la trace des derniers grands événements intervenus dans le précédent, c’est-à-dire la trace des derniers trous noirs supermassifs avant leur évaporation. Retrouver à la Surface de Dernière Diffusion (CMB) de telles traces, serait une preuve tangible de la théorie. Roger Penrose et ceux qui la partagent, pensaient avoir identifié dans les données collectées par l’observatoire spatial WMAP de la NASA, certaines structures (cercles concentriques d’anomalies de température) en surface de ce CMB (nommés « points de Hawking ») témoignages de l’évaporation de trous-noirs massifs qui répondaient aux caractéristiques attendues. Mais ces traces à la limite de nos capacités d’observation, ont été d’abord contestées et ensuite n’ont pas été confirmées par le télescope spatial Planck, suivant WMAP et beaucoup plus puissant.

La communauté des cosmologues attend donc des preuves des astronomes et la CCC restera simplement une théorie jusqu’à ce qu’on les trouve.

Mais arrêtons-nous un instant, pour l’esthétique, sur cette image grandiose et impressionnante de l’ancien monde à bout de souffle, notre univers dans son très lointain futur. Il fait sombre puisqu’aucun astre ne brille plus dans l’espace étiré asymptotiquement vers l’infini. Les photons provenant du passé eux-mêmes, dont les longueurs d’onde se sont considérablement allongées, ne sont plus lumineux depuis bien longtemps et presque complètement froids. Espacé par des milliards d’années-lumière, de gigantesques trous noirs luisent faiblement de leur rayonnement de Hawking (en photons). Il fait froid, de plus en plus froid, à un point tel que, par différence, ces trous noirs, derniers refuges et destructeurs de la matière, sont devenus relativement chauds et s’évaporent de plus en plus vite jusqu’à exploser et se disperser en diffusant d’énormes ondes gravitationnelles. Bientôt, en dehors des photons, il ne reste plus qu’un squelette des autres bosons de ce qui fut notre Univers, totalement décharné et étiré sur des distances incommensurables. Ce squelette épuré mais toujours porteur de la géométrie conforme de son passé, se contracte par « transformation conforme » sans difficulté aucune et presque jusqu’à l’infiniment petit puisqu’il n’est plus contraint par la matière. Nous sommes au moment du « passage » (« crossover ») à l’aube d’une nouvelle ère (ou dans le vocabulaire de Roger Penrose, d’un nouvel éon) dans laquelle tout redeviendra à nouveau possible grâce à la survivance « au-delà du miroir », des bosons et de l’énergie qui ont survécu au précédent éon.

Si cette thèse était confirmée, on se trouverait devoir accepter un processus de création, d’évolution puis d’effondrement et de renouveau, qu’on pourrait qualifier d’ondulatoire, toujours orienté (un présent permettant un futur et suivant un passé), constitué d’une succession de naissances et de morts, apparemment sans fin mais aussi sans début…A moins qu’un jour on puisse démontrer la possibilité d’une évolution de cette sinusoïde (par exemple par une accélération de plus en plus forte de l’expansion au fil des éons successifs). Cela ne permet évidemment pas de résoudre le problème de l’Origine et de la Fin ; pas plus que l’existence présumée de Shiva-dansant, détruisant et recréant l’Univers dans une éternité apparente ne résout le problème de sa propre naissance ou celui de l’éventualité de sa mort.

Merci Monsieur Penrose pour cette proposition éblouissante et cette espérance !

Illustration de titre : à gauche la succession des éons représentée de façon classique ; à droite la même succession selon la géométrie conforme ; les distorsions causées par une vision purement métrique de l’Univers sont effacées.

NB : n’étant pas physicien et la théorie de Roger Penrose étant difficile à maitriser pour un « non-initié », je laisse mes lecteurs spécialistes apporter leur contribution pour sa meilleure compréhension, notamment en ce qui concerne le « passage » d’un éon à l’autre.

Lecture:

The basic ideas of Conformal Cyclic Cosmology, par Roger Penrose, AIP Conference Proceedings 1446, 233 (2012); https://doi.org/10.1063/1.4727997, publié le 21/06/2012

https://fr.wikipedia.org/wiki/Cosmologie_cyclique_conforme

Illustrations de la CCC :

https://www.google.com/search?sxsrf=ALeKk01uTFQII43ICW_0YDrZTnr2IP_IGA:1603572311792&q=conformal+cyclic+cosmology+images&tbm=isch&chips=q:conformal+cyclic+cosmology+images,online_chips:cosmic+microwave&sa=X&ved=2ahUKEwjg5I-wjM7sAhX7BGMBHYo7BpQQgIoDKAF6BAgLEAo&biw=1366&bih=657#imgrc=USPW6mDc93ERZM

Présentation par Jean-Pierre Luminet :

https://www.youtube.com/watch?v=VosO8MrEie8

Articles de Futura Science :

https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/cosmologie-prix-nobel-physique-roger-penrose-pense-avoir-preuves-univers-avant-big-bang-26213/

https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/cosmologie-prix-nobel-physique-roger-penrose-pense-avoir-preuves-univers-avant-big-bang-26213/

Article de Forbes :

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/10/08/no-roger-penrose-we-see-no-evidence-of-a-universe-before-the-big-bang/#1b1add7a0f34

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