L'Univers dans un piège à gaz : comment distinguer l'inflation du rebond ✛ ✎
Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers a connu une expansion rapide : l'inflation. Mais peut-être qu'avant cela, il se contractait, puis a rebondi. Les deux scénarios laissent une empreinte presque identique dans le rayonnement fossile, et les cosmologistes débattent depuis des décennies pour savoir lequel est le bon. La physique aux très petites échelles, celle de Planck, inaccessible aux expériences directes, pourrait les départager. Cependant, un groupe de physiciens a proposé une voie détournée : recréer l'Univers primordial en laboratoire, dans un nuage de gaz ultra-froid.
L'idée clé est d'utiliser non pas les interactions de contact habituelles entre atomes, mais les forces dipôle-dipôle qui s'exercent entre leurs moments magnétiques. Ces forces peuvent être finement ajustées par un champ magnétique (résonance de Feshbach). Si le gaz est comprimé en une couche mince, ses oscillations collectives deviennent semblables aux perturbations de l'espace-temps dans l'Univers primordial. De plus, la compression anisotrope, différente dans les directions longitudinale et transversale, engendre une correction non adiabatique qui brise la dualité entre inflation et rebond. On pensait auparavant que ces deux scénarios donnaient le même spectre de perturbations ; on découvre maintenant que lors de la contraction, une pente notable du spectre apparaît aux petites impulsions.
Cette découverte signifie qu'un simulateur quantique de laboratoire peut fournir un critère inaccessible aux observations astronomiques. Si, dans une expérience avec un gaz froid, on parvient à mesurer le spectre des fluctuations de densité dans la phase de contraction et à y voir une pente rouge, ce serait un argument fort en faveur du modèle de rebond. De plus, cette approche permet de tester les prédictions de la gravité quantique sans atteindre les énergies de Planck : les traces de la physique à haute énergie se manifestent à grande échelle par la pente du spectre.
La réalisation expérimentale est possible dès aujourd'hui avec des condensats de dysprosium ou d'erbium. Il suffit d'ajuster l'interaction de contact par résonance de Feshbach pour que la force dipolaire relative s'approche de la valeur critique. Ensuite, la compression du gaz dans le piège reproduira la physique trans-planckienne, et nous pourrons littéralement voir comment l'Univers est né.
La valeur critique R = $R_c$, à laquelle le spectre se fige, coïncide avec la limite de stabilité du gaz quantique volumique : $g_c$ = $g_d$. Cela signifie que le régime recherché est atteint par un simple réglage de la résonance de Feshbach, sans conditions exotiques.
L'idée d'un univers de laboratoire fait écho à « l'Univers dans une éprouvette » de la science-fiction, où des cosmos miniatures sont créés pour étudier les lois fondamentales.