Rayonnement fossile : un collisionneur cosmologique pour tester la théorie des cordes

L’inflation cosmique désigne une phase d’expansion extrêmement rapide de l’univers, survenue une fraction de seconde après le Big Bang il y a environ 13,8 milliards d’années. Cette période a permis à l’univers de gagner une taille colossale en un temps record, lissant les irrégularités de la matière et du rayonnement. Selon les modèles théoriques, cette expansion aurait été si puissante qu’elle aurait généré des ondes gravitationnelles et des perturbations dans le rayonnement fossile, une lumière résiduelle datant de 380 000 ans après le Big Bang. Ce rayonnement fossile, aussi appelé fond diffus cosmologique, est aujourd’hui observable sous forme de micro-ondes et constitue une véritable « carte d’identité » de l’univers primordial. Les scientifiques, comme Sébastien Renaux-Petel, cherchent à y déceler des indices de phénomènes physiques extrêmes, comme ceux prédits par la théorie des cordes.

La théorie des cordes est un cadre théorique en physique fondamentale qui tente d’unifier les quatre forces fondamentales de la nature (gravité, électromagnétisme, forces nucléaires forte et faible) en les décrivant comme des vibrations de minuscules cordes unidimensionnelles. Contrairement à la physique classique, cette théorie suppose que l’univers possède plus de quatre dimensions : six ou sept dimensions supplémentaires, enroulées sur elles-mêmes à une échelle si petite qu’elles échappent à nos instruments actuels. Dans ce cadre, les particules élémentaires ne seraient que des modes de vibration de ces cordes. Sébastien Renaux-Petel, directeur de recherche à l’École Polytechnique, explore comment ces dimensions supplémentaires pourraient avoir influencé l’inflation cosmique, notamment via des objets appelés branes (abréviation de membranes), qui seraient des structures multidimensionnelles capables de se déplacer et d’interagir dans ces espaces cachés.

Dans la théorie des cordes, une brane (ou D-brane) est un objet dynamique qui peut avoir différentes dimensions : une 0-brane est un point, une 1-brane une corde, une 2-brane une surface, etc. Ces branes pourraient jouer un rôle clé dans l’inflation cosmique en agissant comme des « moteurs » de l’expansion de l’univers. Selon le modèle étudié par Renaux-Petel et son équipe, une collision entre deux branes dans des dimensions supplémentaires aurait pu libérer une énergie colossale, déclenchant ainsi l’inflation. Cette hypothèse suggère que des traces de ces collisions pourraient subsister dans le rayonnement fossile sous forme de motifs particuliers, comme des distorsions ou des anomalies dans les fluctuations de température de cette lumière primordiale.

Le rayonnement fossile, ou fond diffus cosmologique, est une relique du Big Bang qui baigne tout l’univers d’une lumière micro-onde très faible. Capté par des instruments comme le satellite Planck de l’ESA, il révèle les variations de densité de l’univers primordial, des « graines » à partir desquelles les galaxies se sont formées. Renaux-Petel propose d’utiliser cette carte du cosmos comme un « collisionneur cosmologique » : en analysant les motifs de ce rayonnement, les chercheurs pourraient détecter des signatures indirectes de l’inflation et, par extension, des dimensions supplémentaires prédites par la théorie des cordes. Ces signatures prendraient la forme de déviations subtiles dans les propriétés statistiques des fluctuations de température, difficiles à expliquer par les modèles standards de cosmologie.

Sébastien Renaux-Petel et ses étudiants ont récemment développé une approche mathématique innovante pour prédire les signatures spécifiques que les dimensions supplémentaires pourraient laisser dans le rayonnement fossile. En s’appuyant sur des outils mathématiques anciens et des équations complexes, ils ont identifié des configurations précises de champs multiples et de branes capables de générer des motifs détectables. Ces travaux, publiés en 2026, ouvrent une nouvelle voie pour tester expérimentalement la théorie des cordes, qui reste jusqu’ici non vérifiée en raison de l’absence de preuves directes. Leur méthode pourrait permettre de distinguer les signaux liés aux dimensions supplémentaires de ceux produits par d’autres phénomènes cosmologiques.