Théorie des univers jumeaux (Jean-Pierre Petit)

La théorie des univers jumeaux de Jean-Pierre Petit est une théorie cosmologique qui n'est pas parvenue à susciter l'intérêt de la communauté des cosmologistes. Elle est toujours restée très marginale.

En cosmologie, Jean-Pierre Petit a poursuivi l'approche initiée en 1967 par Andreï Sakharov, "père de la théorie des univers jumeaux". Ce physicien russe a été le premier à suggérer que la structure de l'univers puisse être double, formée par deux univers "jumeaux" dotés de flèches du temps antiparallèles, étant selon lui "reliés par la singularité du Big Bang". Les premiers travaux de Jean-Pierre Petit en la matière datent de 1977 (deux notes à l'Académie des Sciences, cf. Travaux scientifiques). À cette époque, il utilise les outils de la cosmologie newtonienne et ignore le travail du Sakharov, dont il ne découvrira les travaux que lors de la publication en français de ceux-ci en 1984 (cf. Livres dans Bibliographie).

Le modèle cosmologique de Jean-Pierre Petit se fonde sur deux équations de champ couplées. Le support géométrique de son modèle est le revêtement à deux feuillets d'une variété riemannienne, ce qui évacue toute considération sur la topologie du modèle et sur des contraintes de courbure qui en découleraient. Ce schéma traduit une correspondance point par point de ces deux "feuillets d'univers", que n'avait pas envisagé Sakharov.

Caractéristiques du modèle gémellaire

Invisibilité du feuillet jumeau

L'invisibilité de la matière gémellaire est justifiée par des considérations simplement géométriques. Les deux feuillets d'univers possèdent leurs propres jeux de géodésiques, disjoints. L'image d'une géodésique d'un des univers n'est d'ailleurs pas une géodésique du second. Comme il n'existe pas de géodésique de longueur nulle qui soit commune aux deux feuillets, les objets du jumeau ne peuvent être vus depuis notre propre univers, et vice versa.

Interaction antigravitationnelle

Les deux univers interagissent uniquement par la force de gravité, ou plus précisément d'antigravité, puisque les objets des deux univers se repoussent.

L'écriture tensorielle y équivaut à la dynamique suivante :

• La matière attire la matière selon la loi de Newton
• La matière gémellaire attire la matière gémellaire selon la loi de Newton
• Matière et matière gémellaire se repoussent selon "anti-Newton".

Dans l'approximation newtonienne, le système se réduit à deux équations de Poisson couplées par le champ gravitationnel et produit deux équations de Jeans couplées. Celles-ci mettent en particulier en évidence un mécanisme d'instabilités gravitationnelles conjointes. Lorsque l'une de ces deux matières se rassemble, par instabilité gravitationnelle, une lacune apparaît dans l'autre, dans la portion conjuguée de cet univers jumeau. Si on suppose que c'est la matière qui se concentre, alors la matière gémellaire, répulsive, qui se trouve en périphérie a sur elle un effet confinant. Le modèle explique alors la platitude de la courbe de rotation dans les galaxies et se présente comme une alternative à l'hypothèse de l'existence de halos de matière sombre, présentement non détectés directement^[1].

Matière gémellaire contre matière sombre

Selon l'auteur, ce modèle n'est ni plus, ni moins spéculatif que le modèle où un "halo de matière sombre" est requis pour assurer le confinement des galaxies. C'est une solution alternative, concurrente, en attente d'une confirmation décisive en faveur de l'une ou l'autre.

Une des justifications des partisans de la thèse de la matière sombre, dont on ne peut actuellement justifier la véritable nature, est l'observation d'effets de lentille gravitationnelle anormaux. C'est alors sur cette base que des chercheurs comme Yannick Meillier et Bernard Fort ont voulu donner à l'étude du microlensing, du "cisaillement gravitationnel" le caractère d'un moyen de "cartographier » la matière sombre dans l'univers, en trois dimensions.

Petit donne une interprétation alternative en montrant que son modèle s'accompagne d'un effet de lentille gravitationnelle négatif, dans notre univers (negative lensing) : si des conglomérats de matière gémellaire se comportent comme des lentilles divergentes, en affaiblissant en particulier la magnitude des objets lointains, les lacunes font converger les rayons lumineux en produisant le même effet que ne le ferait un rassemblement de matière sombre, invisible.

Cette théorie des univers jumeaux se trouve entièrement construite en tant que solution exacte du système des deux équations de champ. Une solution exacte qui se présente sous la forme de deux métriques "conjuguées", chacune se référant au feuillet d'univers correspondant. Ces métriques conjuguées sont du type métrique de Schwarzschild extérieure plus Schwarzschild intérieure. Ces deux solutions se déduisent très simplement l'une de l'autre en changeant la masse M en -M.

Ainsi, l'argument des effets de lentille gravitationnelle met-il à égalité les deux thèses concurrentes : l'interprétation par la matière sombre et celle qui met en jeu l'effet de la matière gémellaire.

L'étude de l'évolution cosmique se traduit par la construction des évolutions conjointes des deux univers jumeaux, dotés de facteurs d'échelle R et R*. Le système des deux équations différentielles couplées fait apparaître une instabilité, vis à vis d'une expansion se déroulant linéairement par rapport au temps t.
Si l'expansion d'un des deux univers s'emballe, l'autre voit la sienne se ralentir. Ce mécanisme explique donc la reprise du processus cosmique (accélération de l'expansion de l'univers) sans avoir besoin de recourir à la constante cosmologique et à l'énergie noire. Ce qui dynamise l'expansion de notre propre univers, c'est l'action répulsive qu'exerce sur lui son jumeau, invisible.

Variation des constantes physiques

En 1988-89 et 1995, Jean-Pierre Petit publie plusieurs articles (cf. Travaux scientifiques dans Bibliographie) où les constantes physiques de l'univers ne seraient pas des constantes "absolues" mais subiraient une variation dans le temps (dérive séculaire selon le rayon de l'univers). Contrairement aux autres théories à constantes variables où seule la vitesse de la lumière varie, ce modèle fait varier conjointement toutes les constantes de la physique, de manière à ce que les équations restent invariantes (la seule constante absolue étant le ratio <math>G/c^2</math> issu de la constante d'Einstein où le terme source est compris comme densité de masse et où la constante cosmologique est nulle). Dans ce modèle, il est impossible de mettre en évidence ces variations directement à l'aide d'instruments de mesure (une analogie consiste à tenter de mesurer, dans une pièce où la température grimpe de manière isotrope, la dilatation d'une table en fer à l'aide d'une règle graduée faite du même métal, qui se dilate d'autant). Une conséquence visible serait néanmoins le phénomène -réinterprété- de Redshift. Dans cette optique, le contenu de l'univers se dilate comme son contenant : les galaxies, les étoiles, les atomes "grandissent" parallèlement, et l'homogénéité de l'univers est assurée. L'évolution de l'horizon est modifiée (elle ne croît plus linéairement en fonction du temps). Le modèle se pose ainsi en alternative au modèle de l'inflation de Linde.

En 2001 (cf. Travaux scientifiques dans Bibliographie), Petit effectue une synthèse de ses travaux postérieurs et retouche également son modèle à constantes variables datant de 1995. Il opte pour un système où les constantes seraient affectées par la densité locale d'énergie électromagnétique, où les variations conjointes ne concerneraient donc que la phase radiative. Toujours en fondant sa solution sur l'invariance des équations (Champ, Schrödinger, Maxwell, etc) il donne les courbes d'évolution des constantes physiques qui se muent en constantes absolues lors de la transition de la phase radiative vers celle où domine la matière.

Mesure du temps : "entropie par baryon"

Dès 1988, Petit s'interroge sur la question de la mesure du temps lorsqu'on remonte dans le passé, et remarque que la seule indication chronologique fiable, à toute échelle, est la mesure d'angles : une heure, c'est un tour de la petite aiguille d'une montre. Un jour, c'est un tour de la Terre autour de son axe. Une année, c'est un tour de la Terre autour du Soleil, etc. Il envisage donc une horloge conceptuelle constituée par deux masses orbitant autour de leur centre de gravité commun et calcule le nombre de tours effectués par cette "horloge élémentaire" lorsqu'on remonte dans le passé^[2]. En mettant en œuvre son modèle à constantes variables, il trouve^[3]... l'infini. L'"horloge matérielle" voyant la vitesse de ses particules tendre vers celle de la lumière, l'entropie est utilisée comme marqueur chronologique à la place du temps.

Instabilités gravitationnelles conjointes

- Structure à Grande Échelle

Partant de l'instabilité qui conduit à des rythmes d'expansion différents, où la densité de matière gémellaire est à l'échelle macroscopique la plus grande, plus importante, il étudie les instabilités gravitationnelles conjointes à travers des simulations 2D réalisées avec les moyens de l'époque. Cette étude produit la première image d'une VLS (Very Large Structure, structure à grande échelle), lacunaire stable, sans qu'il soit nécessaire de recourir à de multiples ingrédients comme la matière noire froide ou l'énergie noire, et sans ajustement local ad hoc des paramètres.

Selon ce schéma, c'est la matière gémellaire, plus dense, qui mène le jeu. En effet son temps de Jeans (son temps d'accrétion) est plus faible. C'est donc elle qui forme les premières structures, en chassant la matière dans l'espace interstitiel. D'où la structure lacunaire observée. Au centre des vastes cellules autour desquelles notre matière s'organise, devraient donc exister des conglomérats de matière gémellaire, invisibles, qui se comporteraient comme d'immenses proto-étoiles dotées d'un cooling time grand devant l'âge de l'univers. Petit conjecture que l'univers jumeau ne possède pas d'étoiles ou d'éléments lourds, donc pas de vie. Un "observateur" qui se situerait dans l'univers jumeau n'y apercevrait que des masses floues rayonnant dans le rouge et l'infrarouge, représentant ces immenses proto-étoiles, à la manière de notre univers lorsqu'il était dans une phase bien plus jeune.

- Formation des galaxies et mesures locales

Il calcule que ces conglomérats de matière gémellaire doivent produire une diminution de la magnitude des objets à fort redshift. Or, les observations indiquent que les galaxies situées aux confins de l'univers seraient des galaxies naines, qui auraient formé ensuite des objets plus massifs en s'agglomérant les unes aux autres. Petit donne à cette observation une interprétation alternative : ces galaxies ne seraient en réalité pas naines, mais verraient leur magnitude réduite par l'effet de lentille gravitationnelle négatif du aux conglomérats de matière gémellaire.

Le modèle est compatible avec les mesures locales. En effet, notre galaxie y serait logée dans une lacune de la distribution de matière gémellaire. Ainsi, la densité de matière gémellaire est-elle très faible dans la portion conjuguée correspondant de l'univers jumeau. Le second membre des équations de champ se réduit alors, respectivement à T et - T (T étant le classique tenseur énergie-impulsion). En bref : localement (entre autre, dans l'environnement du système solaire) l'équation de champ liée à la matière s'identifie à la classique équation d'Einstein à constante cosmologique nulle. Donc les vérifications classiques : déviation des rayons lumineux, avance du périhélie de Mercure... cadrent aussi avec ce modèle.

Petit donne donc à l'apparition de la structure lacunaire de l'univers une origine différente de celle qui est actuellement suggérée, mais sans les moyens informatiques nécessaires, il n'a pu poursuivre ces travaux alors que les machines actuelles permettent des simulations en 3 dimensions. Sa conjecture est la suivante : lorsque les conglomérats de matière se forment dans le jumeau, par instabilité gravitationnelle, la matière se trouverait plaquée selon les "parois des cellules" de notre structure lacunaire. Il s'en suivrait une excursion en température dans ces plaques de matière, suivie d'un rapide refroidissement radiatif, qui ne peut se produire si le système est à symétrie sphéroïdale. Un tel refroidissement est déstabilisant et il suggère que c'est à ce moment précis que se formeraient les proto-galaxies, sans qu'il soit nécessaire de faire recours à des pertubations initiales. La matière gémellaire s'infiltrerait alors dans l'espace résiduel, contribuant immédiatement au confinement de ces objets. Des simulations 3D visant à illustrer ce phénomène seraient actuellement possibles.

Au début des années 1990, toujours avec les moyens de calcul de l'époque (2D), il avait pu produire les premières images montrant la rapide autoformation, via le jeu de l'instabilité gravitationnelle, d'une galaxie spirale barrée à partir d'un grumeau de matière en rotation confiné dans son environnement de matière gémellaire répulsive. Ceci débouche sur une interprétation alternative de la structure spirale des galaxies. Ce sont toujours des ondes de densité, mais elles trouvent leur origine dans une "friction dynamique" avec l'environnement de matière gémellaire. Celle-ci, constituant une barrière de potentiel, empêche toute évasion de matière et assure la pérennité des bras spiraux, ce qui n'a pu être simulé convenablement à ce jour, sinon en introduisant une réfrigération artificielle, ponctuelle et répétée, mais non justifiée, de matière dans les bras.

Géométrisation de la matière

En 2001, Jean-Pierre Petit présente son étude sur la nature de la matière gémellaire, issue de la théorie des groupes, en utilisant la méthode développée en 1970 par le mathématicien Jean-Marie Souriau (cf. Livres dans Bibliographie). Dans cette approche, une particule est "un mouvement particulier du point matériel relativiste". Classiquement, ces mouvements sont gérés par le groupe de Poincaré. Or celui-ci possède deux composantes "antichrones" qui transforment les mouvements où les particules cheminent du passé vers le futur en mouvements "à rebrousse-temps". Souriau montre que cette inversion du temps est synonyme d'inversion de l'énergie. Comme la cohabitation d'éléments d'énergies opposées est problématique dans un même espace-temps, Petit construit un groupe dynamique dont l'espace des mouvements n'est plus connexe. Ainsi, l'idée initiale d'Andreï Sakharov (qui introduisait deux univers dotés de flèches du temps antiparallèles) trouve-t-elle son support géométrique.
En conclusion, la matière gémellaire n'est autre que notre propre matière, dotée d'une énergie négative (ou cheminant à rebrousse-temps, ce qui est équivalent). Dans le jumeau, on doit trouver des protons gémellaires, des neutrons gémellaires, des électrons gémellaires, etc.

Le modèle montre que la dualité matière-antimatière existe également dans l'univers jumeau. Il y aurait dont quatre espèces de matières :

• notre matière ordinaire
• sa C-symétrique (l'antimatière, au sens de Dirac)
• sa CPT-symétrique (la matière du jumeau)
• sa PT-symétrique (l'antimatière du jumeau, qui est d'ailleurs l'antimatière au sens de Feynman).

Du fait de la T-symétrie, les CPT-symétrique et la PT-symétrique de notre matière sont des objets à énergie et à masse négatives.
Dans le jumeau, les électrons gémellaires sont dotés de charges électriques positives, situation inverse pour les anti-électrons gémellaires, négatifs.

Prolongation du modèle

Dans d'autres travaux (cf. Travaux scientifiques dans Bibliographie), Petit effectue un retour sur le classique modèle du trou noir. Il concentre son attention sur le modèle relativiste de l'étoile à neutrons de Tolman, Oppenheimer et Volkov, lesquels parviennent à doter l'objet d'une équation d'état, la fameuse équation TOV. Comme indiqué dans tous les ouvrages traitant de relativité générale, une criticité physique se manifeste quand l'étoile à neutrons voit sa masse s'accroître par un apport de matière (lié par exemple à la captation du vent stellaire émis par une étoile compagne) et ceci avant la criticité géométrique.

L'étoile à neutrons est décrite par un ensemble métrique de Schwarzschild intérieure et extérieure. Le rayon de l'étoile R_n s'accroît mais moins rapidement que son rayon de Schwarzchild <math>R_s = 2GM/c^2</math>. Au moment où les deux rayons R_n et R_s se rejoignent (c'est-à-dire lorsque le rayon de Schwarzchild rattrape le rayon de l'étoile en atteignant sa surface), précisément à l'endroit correspondant à la limite en pointillés rouges notée $\backslash scriptstyle\{\backslash hat\; R\}$ dans l'animation ci-dessous, les deux métriques de Schwarzschild deviennent simultanément pathologiques : dans la métrique extérieure, un dénominateur s'annule, et dans la métrique intérieure c'est une quantité sous radical qui devient négative. C'est alors la traduction mathématique, géométrique, de ce qui est communément appelé "trou noir".

Mais avant que ces conditions ne se produisent, environ 5 % sous cette limite $\backslash scriptstyle\{\backslash hat\; R\}$, la pression devient infinie au centre de l'étoile (cf. modèle TOV). C'est une question incontournable pour le physicien. Que se passe-t-il lorsque, dans une étoile à neutrons, la pression (qui est aussi une densité d'énergie par unité de volume) devient infinie ?

Pour Petit, cette remarque relance dans son ensemble le problème du destin d'une étoile à neutrons entrant en criticité, débouchant sur le modèle du trou noir classique. Il conjecture que l'accroissement de la densité d'énergie au coeur de l'étoile pourrait altérer les valeurs locales des constantes de la physique (réapprochant localement des conditions de la phase initiale de l'univers) au point de créer un pont hypertorique entre notre univers et son jumeau, permettant à la matière en excès de s'échapper depuis le centre de l'étoile, en lui évitant ainsi d'atteindre sa criticité géométrique, à la matière dont l'eau en excès, issue d'une fuite du régulateur s'évacue par le trop plein d'une chasse d'eau.

Il poursuit actuellement ces travaux, tout en s'intéressant au ralentissement anormal des sondes Pioneer.

Jugement de la communauté scientifique

Bien que les résultats de ces recherches soient publiés dans des revues spécialisées à comité de lecture (cf. Travaux scientifiques), cette théorie cosmologique alternative ne suscite pas l'adhésion des de la communauté scientifique^[4].

Il reste à noter qu'il n'y a pour le moment pas d'autre travail théorique mené sur deux univers présentant à la fois les caractéristiques de :

• matières en CPT-symétrie,
• avec variation conjuguée des constantes,
• et en interaction gravitationnelle (plus exactement antigravitationnelle).

Cependant, on peut citer les travaux originaux d'Andreï Sakharov dans les années 1970 sur un modèle cosmologique multi-feuillets avec inversion du vecteur temps (T-symétrie), qui n'envisage pas de correspondance point à point des deux feuillets et dont les interactions mutuelles ne sont pas développées.

Et plus récemment, les travaux les plus approchants émanent de Robert Foot et Ray Volkas avec leur modèle Mirror Matter : un premier modèle avec deux univers en P-symétrie, suivi d'un second modèle avec deux univers en CP-symétrie, mais sans inclure la T-symétrie.

Concernant les quelques autres théories de variabilité des constantes, elles traitent en fait de la vitesse de la lumière variable, et non de la variabilité conjuguée de toutes les constantes de la physique.

Bibliographie

Travaux scientifiques

Livres

• Jean-Pierre Petit, On a perdu la moitié de l'univers, Albin Michel, Paris, 1997 (ISBN 2-226-09393-1) + Hachette Littératures, Paris, 2001 (ISBN 2-01-278935-8)
• Jean-Pierre Petit, Le versant obscur de l'univers, téléchargeable en versions française et anglaise, 1998
• Andreï Sakharov, Oeuvres scientifiques, Editions Anthropos, Paris, 1984 (ISBN 2-715-71090-9)
• Jean-Marie Souriau, Structure des systèmes dynamiques, Maîtrise de mathématiques, Dunod, Paris, 1970

Voir aussi

Articles connexes

• Jean-Pierre Petit
• Théorie des univers jumeaux d'Andreï Sakharov
• Théories d'une vitesse de lumière variable
• Univers parallèle

Liens externes

• jp-petit.com : site web de Jean-Pierre Petit, et plus précisément :

• Initiation à la Cosmologie ((en) Initiation to Cosmology) et
• Modèle cosmologique du Twin Bang ((en) A Cosmological model: the Twin Bang) : initiation à la théorie des univers jumeaux
• Physique et Géométrie : géométrisation des univers jumeaux par la théorie des groupes

• darksideofgravity.com : site web de Frédéric Henry-Couannier, dédié à la théorie de la gravité obscure

Notes

Article publié sur Wikimonde Plus