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What happened before the Big Bang? Computational method may provide answers

by Foundational Questions Institute

edited by Sadie Harley, reviewed by Robert Egan

 Editors' notes

AQue s'est-il passé avant le Big Bang ? Une méthode informatique pourrait apporter des réponses

Par Foundational Questions Institute

Édité par Sadie Harley, relu par Robert Egan

Notes de la rédaction

Des méthodes informatiques complexes pourraient résoudre des mystères cosmiques. Crédit : Gabriel Fitzpatrick pour FQxI, FQxI (2025)

On nous dit souvent qu'il est « non scientifique » ou « insignifiant » de se demander ce qui s'est passé avant le Big Bang. Mais un nouvel article du cosmologiste FQxI Eugene Lim, du King's College de Londres (Royaume-Uni), et des astrophysiciens Katy Clough, de l'Université Queen Mary de Londres (Royaume-Uni), et Josu Aurrekoetxea, de l'Université d'Oxford (Royaume-Uni), publié dans Living Reviews in Relativity, propose une solution : utiliser des simulations informatiques complexes pour résoudre numériquement (plutôt qu'exactement) les équations de gravité d'Einstein dans des situations extrêmes.

L'équipe soutient que la relativité numérique devrait être de plus en plus appliquée en cosmologie pour répondre à certaines des plus grandes questions de l'univers, notamment ce qui s'est passé avant le Big Bang, si nous vivons dans un multivers, si notre univers est entré en collision avec un cosmos voisin, ou s'il a connu une série de fracas et de craquements.

Les équations de la relativité générale d'Einstein décrivent la gravité et le mouvement des objets cosmiques. Mais si l'on remonte suffisamment loin dans le temps, on tombe généralement sur une singularité – un état de densité et de température infinies – où les lois de la physique s'effondrent.

Les cosmologistes ne peuvent tout simplement pas résoudre les équations d'Einstein dans des environnements aussi extrêmes – leurs hypothèses simplificatrices habituelles ne tiennent plus. La même impasse s'applique aux objets impliquant des singularités ou une gravité extrême, comme les trous noirs.

Un problème pourrait résider dans ce que les cosmologistes tiennent pour acquis. Ils supposent généralement que l'univers est « isotrope » et « homogène », c'est-à-dire qu'il apparaît identique dans toutes les directions pour chaque observateur. Il s'agit d'une très bonne approximation de l'univers que nous observons autour de nous, et elle permet de résoudre facilement les équations d'Einstein dans la plupart des scénarios cosmiques. Mais est-ce une bonne approximation pour l'univers lors du Big Bang ?

« On peut chercher autour du lampadaire, mais on ne peut pas aller bien au-delà, là où il fait sombre ; on ne peut tout simplement pas résoudre ces équations », explique Lim. « La relativité numérique permet d'explorer des régions éloignées du lampadaire. »

« On peut chercher autour du lampadaire, mais on ne peut pas aller bien au-delà, là où il fait sombre ; on ne peut tout simplement pas résoudre ces équations », explique Lim. « La relativité numérique permet d'explorer des régions éloignées du lampadaire.»

Au-delà du lampadaire

La relativité numérique a été suggérée pour la première fois dans les années 1960 et 1970 pour tenter de déterminer quels types d'ondes gravitationnelles (ondulations dans la structure de l'espace-temps) seraient émises si des trous noirs entraient en collision et fusionnaient. Il s'agit d'un scénario extrême pour lequel il est impossible de résoudre les équations d'Einstein avec du papier et un stylo seuls ; un code informatique sophistiqué et des approximations numériques sont nécessaires.

Son développement a connu un regain d'intérêt avec l'expérience LIGO proposée dans les années 1980, bien que le problème n'ait été résolu de cette manière qu'en 2005, laissant espérer que la méthode pourrait également être appliquée avec succès à d'autres énigmes.

L'inflation cosmique, une énigme de longue date qui passionne particulièrement Lim, est une période d'expansion extrêmement rapide de l'univers primitif. Initialement, l'inflation a été proposée pour expliquer l'aspect actuel de l'univers : elle étendait une petite zone initialement, de sorte qu'il apparaît de manière similaire sur une vaste étendue.

« Sans inflation, beaucoup de choses s'effondrent », explique Lim. Mais si l'inflation contribue à expliquer l'état actuel de l'univers, personne n'a été en mesure d'expliquer comment ni pourquoi l'univers naissant a connu cette soudaine et brève poussée de croissance.

Le problème est que, pour explorer ce phénomène à l'aide des équations d'Einstein, les cosmologistes doivent partir du principe que l'univers était homogène et isotrope au départ, ce que l'inflation était censée expliquer. Si l'on suppose au contraire qu'il a débuté dans un autre état, alors « on n'a pas la symétrie nécessaire pour écrire facilement ses équations », explique Lim.

Mais la relativité numérique pourrait nous aider à contourner ce problème, en autorisant des conditions initiales radicalement différentes. Ce n'est cependant pas une énigme simple à résoudre, car l'espace-temps aurait pu se présenter d'une infinité de façons avant l'inflation. Lim espère donc utiliser la relativité numérique pour tester les prédictions issues de théories plus fondamentales génératrices d'inflation, comme la théorie des cordes

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Cordes cosmiques, univers en collision

D'autres perspectives prometteuses s'offrent également à vous. Les physiciens pourraient utiliser la relativité numérique pour tenter de déterminer quel type d'ondes gravitationnelles pourraient être générées par des objets hypothétiques appelés cordes cosmiques – de longues et fines « cicatrices » dans l'espace-temps – contribuant ainsi potentiellement à confirmer leur existence. Ils pourraient également être capables de prédire les signatures, ou « traces », sur le ciel résultant des collisions de notre univers avec les univers voisins (si tant est qu'ils existent), ce qui pourrait nous aider à vérifier la théorie du multivers.

De manière passionnante, la relativité numérique pourrait également contribuer à révéler l'existence d'un univers avant le Big Bang. Le cosmos est peut-être cyclique et passe par des « rebonds » entre les anciens univers et les nouveaux, subissant des renaissances, des Big Bangs et des Big Crunchs répétés. C'est un problème très difficile à résoudre analytiquement.

« Les univers rebondissants en sont un excellent exemple, car ils atteignent une forte gravité où l'on ne peut pas se fier à ses symétries », explique Lim. « Plusieurs groupes y travaillent déjà ; auparavant, personne ne le faisait.»

Les simulations de relativité numérique sont si complexes qu'elles nécessitent des supercalculateurs. À mesure que la technologie de ces machines s'améliore, nous pouvons nous attendre à une amélioration significative de notre compréhension de l'univers. Lim espère que le nouvel article de l'équipe, qui décrit les méthodes et les avantages de la relativité numérique, permettra à terme aux chercheurs de différents domaines de se mettre à niveau.

« Nous espérons développer ce lien entre cosmologie et relativité numérique afin que les relativistes numériques souhaitant utiliser leurs techniques pour explorer des problèmes cosmologiques puissent le faire », explique Lim, ajoutant : « et que les cosmologistes souhaitant résoudre certaines des questions qu'ils ne parviennent pas à résoudre puissent utiliser la relativité numérique. »

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RESUME

Que s'est-il passé avant le Big Bang ? Une méthode informatique pourrait apporter des réponses.

On nous dit souvent qu'il est « non scientifique » ou « inutile » de se demander ce qui s'est passé avant le Big Bang. Mais une nouvelle étude du cosmologiste FQxI Eugene Lim, du King's College de Londres (Royaume-Uni), et des astrophysiciens Katy Clough, de l'Université Queen Mary de Londres (Royaume-Uni), et Josu Aurrekoetxea, de l'Université d'Oxford (Royaume-Uni), publiée dans Living Reviews in Relativity, propose une solution : utiliser des simulations informatiques complexes pour résoudre numériquement (plutôt qu'exactement) les équations

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COMMENTAIRES

Basiquement et pour mes élèves 

comment les scientifiques expliquent-ils la période avant le Big Bang ?

Le mieux que l'on puisse affirmer avec certitude à ce stade est que la physique n'a jusqu'à présent trouvé aucun cas confirmé d'apparition de quelque chose à partir de rien. Pour répondre véritablement à la question de savoir comment quelque chose a pu naître de rien, il faudrait expliquer l'état quantique de l'Univers tout entier au début de l'ère de Planck.

Par conséquent  si on ignore  complètement les caractéristiques   du milieu dduquel on part  il est impossible de prévoir ce qui va en surgir !!!!

 J 'en reparlerai dans mon blog de dimanche ainsique de la relativite numerique .....

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More information: Josu C. Aurrekoetxea et al, Cosmology using numerical relativity, Living Reviews in Relativity (2025). DOI: 10.1007/s41114-025-00058-z

Provided by Foundational Questions Institute