L'emballement

~10⁻³⁶ à 10⁻³² s

Trois énigmes pour une hypothèse

Le chapitre précédent s'est arrêté sur une ligne de partage. La question de l'existence reste à la philosophie ; celle du bord, c'est-à-dire de ce qui limite le passé de l'Univers, revient à la physique, et elle peut devenir testable (→ chap. 2). Pour l'aborder, il faut d'abord savoir jusqu'où la physique remonte avec des indices. La réponse tient en un mot : l'inflation. C'est la plus ancienne étape de l'histoire cosmique pour laquelle on dispose d'indices observationnels wiki-chrono. Mais elle n'a pas été inventée pour expliquer une observation nouvelle. Elle a d'abord servi à répondre à trois questions que le modèle du Big Bang laissait sans réponse.

Ce modèle, dans sa forme classique, décrit un univers chaud et dense qui se dilate et se refroidit. Il rend compte de beaucoup de choses : le rayonnement fossile, les abondances des premiers noyaux, l'éloignement des galaxies. Mais il prend son état de départ tel quel, comme une donnée. Les cosmologistes parlent de « problèmes de conditions initiales » Baumann 2009 : l'état de départ que le modèle doit supposer pour retrouver l'Univers observé présente des coïncidences qu'il n'explique pas. Il y en a trois.

La première est celle de l'horizon. Le fond diffus cosmologique, la plus vieille lumière du ciel, libérée quand l'Univers avait environ 380 000 ans, a presque exactement la même température dans toutes les directions : ses variations ne dépassent pas quelques parts sur cent mille, environ 10⁻⁵ wiki-inflationwiki-cmb. Deux régions situées aux deux bouts du ciel ont donc la même température. Dans la vie courante, deux objets à la même température l'ont atteinte en échangeant de la chaleur. Or, dans le modèle classique, ces deux régions n'ont jamais pu échanger quoi que ce soit : elles « n'ont pas pu atteindre l'équilibre, parce qu'elles s'éloignent l'une de l'autre plus vite que la lumière » wiki-inflation. Aucun signal, aucune chaleur n'a eu le temps de passer de l'une à l'autre depuis le début de l'expansion. Leur égalité de température est alors une coïncidence qu'il faut poser au départ, région par région, sur tout le ciel.

La deuxième est celle de la platitude. En relativité générale, la géométrie de l'espace à grande échelle dépend de la densité de ce qu'il contient. Il existe une densité particulière, dite critique, pour laquelle l'espace est plat, c'est-à-dire obéit à la géométrie d'Euclide, celle où la somme des angles d'un triangle fait 180°¹. L'Univers actuel en est très proche. Or l'expansion éloigne l'Univers de cette valeur au lieu de l'en rapprocher : un petit écart au départ devient un grand écart ensuite. Pour que l'Univers soit aussi proche de la densité critique aujourd'hui, il fallait qu'au départ il s'en écarte de moins d'une part sur 10⁶², c'est-à-dire d'une part sur un nombre qui s'écrit avec un 1 suivi de soixante-deux zéros wiki-inflation. Le modèle classique peut supposer ce réglage ; il ne peut pas dire pourquoi l'Univers est né réglé à ce point.

La troisième est celle des monopôles. Les théories dites de grande unification, qui cherchent à réunir trois des forces fondamentales de la physique à très haute énergie, prévoient la formation, dans l'Univers très chaud, de monopôles magnétiques : des particules qui porteraient un seul pôle magnétique, un nord sans sud wiki-inflation². Si l'Univers a traversé ces énergies, il devrait en être rempli. On n'en a jamais observé.

En 1980 et 1981, deux physiciens proposent, par des chemins différents, une même réponse. Le Soviétique Alexeï Starobinsky soutient en 1980 que des corrections quantiques à la gravité remplaceraient la singularité initiale supposée par une phase « de de Sitter », c'est-à-dire une phase où l'espace se dilate de façon exponentielle, en doublant de taille à intervalles réguliers wiki-inflation. L'Américain Alan Guth propose l'inflation en 1980-1981 ; il étudiait au départ le problème des monopôles wiki-inflation. L'idée commune est une phase brève d'expansion accélérée, au tout début de l'histoire cosmique, avant l'Univers chaud que décrit le modèle classique Baumann 2009.

Cette phase règle les trois énigmes d'un seul geste. Pour l'horizon : avant l'inflation, les deux régions aujourd'hui opposées dans le ciel étaient assez proches pour échanger de la chaleur et s'équilibrer ; l'inflation les a ensuite séparées plus vite que la lumière ne pouvait les relier, et elles ont gardé la même température wiki-inflation. Pour la platitude : l'inflation aplatit l'espace comme on aplatit la surface d'un ballon en le gonflant. Une fourmi posée sur un ballon énorme ne voit plus sa courbure wiki-inflation. Au lieu d'amplifier l'écart à la densité critique, cette phase l'écrase, et l'Univers sort de l'inflation presque plat sans qu'on ait eu à le régler. Pour les monopôles : s'ils se sont formés avant ou pendant l'inflation, celle-ci les a dilués au point de les rendre introuvables wiki-inflation.

Une règle de méthode s'impose dès l'entrée, parce que tout le chapitre en dépend. Résoudre des énigmes connues ne prouve pas qu'une hypothèse est vraie. Cela montre qu'elle est économique : une seule supposition en remplace trois. Mais une hypothèse inventée pour expliquer des faits déjà connus les explique par construction ; elle a été taillée pour eux. Ce qui peut la mettre à l'épreuve, ce sont des faits qu'elle annonce avant qu'on les voie wiki-inflation³. L'inflation en a annoncé. Pour les comprendre, il faut voir ce qu'elle fait.

Du quantique au cosmique

Dans le scénario dominant, l'inflation dilate l'espace d'un facteur de l'ordre de 10²⁶ entre environ 10⁻³⁶ et 10⁻³² seconde wiki-chrono. Le facteur 10²⁶ est celui qui sépare la taille d'un noyau atomique de la distance de la Terre au Soleil, en ordre de grandeur⁴. La durée, elle, se compte en fractions de seconde dont l'écriture décimale aligne trente et un zéros après la virgule avant le premier chiffre. C'est cet écart entre une durée infime et une dilatation démesurée que le titre de ce chapitre appelle l'emballement.

Ces chiffres demandent une précaution : ce sont des ordres de grandeur qui dépendent du modèle d'inflation retenu, et « 10⁻³⁶ seconde » est une valeur de la coordonnée de temps d'un modèle prolongé au-delà de ce qu'une horloge physique aurait pu marquer (→ chap. 1). Ces nombres situent l'inflation dans un modèle ; ils ne la datent pas comme on date une roche.

Si l'inflation se bornait à gonfler l'espace et à le lisser, elle aurait un défaut : elle produirait un univers trop parfait. Un espace parfaitement uniforme ne formerait jamais de galaxies, puisque rien n'y distinguerait un endroit d'un autre ; la gravité n'aurait aucune surdensité à amplifier. L'apport décisif de l'inflation n'est donc pas le lissage, mais un mécanisme qui laisse des irrégularités, et des irrégularités d'un type précis. Selon la formule du cosmologiste Daniel Baumann, l'inflation « transforme des fluctuations quantiques microscopiques en germes macroscopiques pour la formation des structures cosmiques » Baumann 2009.

Le mécanisme se décompose en trois temps. D'abord, à l'échelle microscopique, la physique quantique interdit à un champ d'avoir une valeur parfaitement fixe : sa valeur tremble sans cesse autour de sa moyenne⁵. Le champ qui porte l'inflation, qu'on appelle l'inflaton et dont la nature reste inconnue, tremble comme les autres Baumann 2009. Ensuite, l'inflation étire ces tremblements avec l'espace qui les contient. En une fraction de seconde, une fluctuation de taille subatomique est portée à une taille astronomique ; une fois assez étirée, elle cesse de trembler et se fige, comme une ride sur un tissu qu'on tend très vite. Enfin, à la sortie de l'inflation, ces rides figées deviennent de petites différences de densité dans la matière et le rayonnement : ici un peu plus de matière, là un peu moins. Les minuscules fluctuations visibles dans le fond diffus seraient nées ainsi, pendant l'inflation, et auraient été étirées aux grandes échelles par cette brève phase esa2013planck.

La suite est de la gravité ordinaire. Là où il y a un peu plus de matière, l'attraction est un peu plus forte ; la matière voisine y tombe, la surdensité se creuse, et en quelques centaines de millions d'années elle devient une galaxie, puis un amas. Si le scénario est juste, les grandes structures du ciel, et ce qu'elles contiennent, sont des fluctuations quantiques microscopiques agrandies aux dimensions du cosmos Baumann 2009.

Les empreintes mesurées

Le mécanisme annonce d'abord comment l'amplitude des fluctuations doit varier avec leur taille. Il prévoit un spectre dit « invariant d'échelle », ou de Harrison-Zel'dovich : les fluctuations y ont la même amplitude, quelle que soit la taille à laquelle on les considère. L'inflation prévoit ce comportement parce que chaque échelle de fluctuation a été produite de la même manière, à un moment légèrement différent d'une phase qui changeait peu. Les premières variations de température du fond diffus, détectées en 1992 par le satellite COBE (environ 30 ± 5 millionièmes de degré quand on regarde le ciel à travers des taches d'une dizaine de degrés), s'accordent avec ce spectre Smoot 1992⁶ ; l'histoire de cette mesure est racontée au chapitre 6.

La deuxième confrontation est plus fine, et c'est la plus probante : ce sont les pics acoustiques du fond diffus, l'empreinte des ondes sonores qui parcouraient le plasma primordial et se sont figées quand l'Univers est devenu transparent, vers 380 000 ans. Leur mécanisme est exposé au chapitre 6. Il suffit ici de rappeler que ces pics avaient été prédits, et que leur découverte, écrivent les cosmologistes Wayne Hu et Scott Dodelson en 2002, « a établi un modèle cosmologique de travail », dont les structures sont nées par instabilité gravitationnelle de fluctuations quantiques produites pendant l'inflation Hu 2002.

Le point est important pour la logique du chapitre. Les pics ne s'observent sous cette forme que si toutes les ondes sonores ont démarré en même temps, en phase, comme les cordes d'un instrument pincées d'un seul coup⁷. Des perturbations créées au fil de l'eau, à des moments différents, donneraient une bouillie sans pics nets. L'inflation fournit exactement ce départ commun : toutes les fluctuations sont déjà en place quand l'Univers chaud commence. C'est pourquoi la découverte des pics compte plus que la résolution des trois énigmes : c'était une conséquence annoncée, qui aurait pu ne pas être au rendez-vous.

La troisième confrontation est quantitative. La mission européenne Planck, dont les résultats définitifs sont publiés en 2018, mesure trois propriétés des fluctuations primordiales avec une précision qu'on n'avait jamais atteinte.

La première est l'indice spectral, noté n_s. Il résume la manière dont l'amplitude des fluctuations varie avec leur taille. Un spectre exactement invariant d'échelle aurait n_s = 1. L'inflation prévoit un indice légèrement inférieur à 1, parce que la phase d'inflation change un peu pendant qu'elle se déroule et que les fluctuations produites à la fin n'ont pas tout à fait la même amplitude que celles du début planck2018inf⁸. Planck mesure n_s = 0,9649 ± 0,0042, sans dépendance d'échelle détectable, et les reconstructions qui ne présupposent aucune forme confirment un spectre en loi de puissance simple planck2018inf. Autrement dit, l'indice est inférieur à 1 d'environ huit fois son incertitude, dans le sens qu'annonçait l'inflation.

La deuxième est l'adiabaticité. Des fluctuations sont dites adiabatiques quand toutes les composantes de l'Univers (matière noire, matière ordinaire, rayonnement) sont plus denses ensemble aux mêmes endroits, dans les mêmes proportions. C'est ce qu'on attend si toutes proviennent d'un seul champ qui fluctue, comme dans les modèles d'inflation les plus simples planck2018inf. Les nouvelles données de polarisation de Planck « fournissent un test rigoureux de l'adiabaticité des conditions initiales » planck2018inf, et le télescope ACT, au Chili, la vérifie aussi en 2025 act2025ext.

La troisième est la platitude. Combinée aux oscillations acoustiques des baryons, une autre empreinte des mêmes ondes sonores mesurée dans la répartition des galaxies, la carte de Planck donne une courbure spatiale nulle à 0,4 % près, avec 95 % de confiance planck2018inf. ACT ne trouve lui non plus « aucun écart à la platitude » Act 2025. L'inflation prévoyait un Univers plat ; il l'est, à la précision des mesures.

Planck en conclut que les modèles d'inflation dits « lente » à potentiel concave sont « de plus en plus favorisés » planck2018inf⁹. Il faut pourtant dire exactement ce que ces mesures établissent. Ce sont des mesures, et elles s'accordent avec l'inflation, dans le détail et sur des propriétés qui auraient pu être autres. Ce ne sont pas des preuves exclusives : elles montrent que l'inflation passe les tests, pas qu'aucun autre mécanisme ne pourrait les passer. Tout le débat de la fin de ce chapitre porte sur cet écart.

Laquelle des inflations

« L'inflation » n'est pas un modèle unique mais une famille. Le principe (une phase brève d'expansion accélérée qui étire des fluctuations quantiques) peut être réalisé par des champs de formes très diverses, et chaque forme donne ses propres valeurs de n_s et des autres paramètres. Les mesures ne servent donc pas seulement à tester l'idée ; elles servent à trier les versions.

Le modèle de Starobinsky, celui de 1980, était jusqu'à récemment l'un des mieux placés. Il prédit un indice spectral d'environ 0,965 starob-act, très proche de la valeur de Planck. En 2025, le télescope ACT publie ses mesures finales. Combinées à celles de Planck, elles donnent n_s = 0,974 ± 0,003 Act 2025act2025ext, plus élevé que la valeur de Planck seul (0,9649). ACT confirme par ailleurs la quasi-invariance d'échelle : la variation de l'indice avec la taille des fluctuations, 0,0062 ± 0,0052, est compatible avec zéro act2025ext.

Ce petit déplacement, moins d'un centième, compte parce que les incertitudes sont devenues très petites. Selon un article de 2025, la nouvelle valeur éloigne les données de la prédiction du modèle de Starobinsky et défavorise plusieurs modèles bien établis starob-act¹⁰. Une série d'articles de 2025-2026 cherche déjà à réconcilier ces modèles avec les données par des corrections théoriques starob-act.

Deux limites encadrent ce résultat. La première porte sur sa cible : il ne met pas en cause l'inflation, puisque n_s reste inférieur à 1 et que les fluctuations restent quasi invariantes d'échelle et adiabatiques ; il porte sur le choix entre les versions d'inflation. La seconde porte sur sa solidité : il est trop récent pour être tenu pour définitif. L'écart entre 0,965 et 0,974 est d'environ trois fois l'incertitude d'ACT combiné à Planck¹¹, ce qui est notable sans atteindre le seuil que les physiciens exigent pour une découverte. Ce qui le confirmerait ou le dissiperait est connu : d'autres mesures indépendantes des petites échelles du fond diffus, comme celles du télescope SPT au pôle Sud, et la vérification que la combinaison ACT-Planck ne cache pas une erreur systématique. Ce qu'on attend, c'est que la valeur de n_s se stabilise ; selon qu'elle reste vers 0,974 ou revienne vers 0,965, le modèle historique de Starobinsky sortira affaibli ou blanchi.

La signature qui manque

Tout ce qui précède porte sur un seul type de fluctuations : des variations de densité, que les physiciens appellent « scalaires ». Mais l'inflation ne secoue pas seulement la matière. Elle secoue aussi l'espace-temps lui-même, et devrait produire des ondes gravitationnelles primordiales : des ondulations de la géométrie de l'espace, étirées comme le reste aux dimensions du cosmos Baumann 2009. Les physiciens les appellent fluctuations « tensorielles ».

Ces ondes laisseraient une marque dans le fond diffus, non dans sa température mais dans sa polarisation. La lumière du fond diffus est légèrement polarisée : ses vibrations ont, en chaque point du ciel, une direction privilégiée. Cartographiées sur le ciel, ces directions dessinent des motifs. Les variations de densité ne produisent que des motifs sans rotation, rayonnants ou concentriques (qu'on appelle modes E). Les ondes gravitationnelles, elles, produiraient aussi des motifs en tourbillon, qu'on appelle les modes B Baumann 2009¹². L'amplitude de ces ondes se mesure par un nombre, le rapport tenseur/scalaire r, qui compare la force des fluctuations de l'espace-temps à celle des fluctuations de densité. Des modes B primordiaux seraient la signature la plus directe de l'inflation, parce qu'aucun processus de l'Univers chaud ne produit d'ondes gravitationnelles de cette sorte à ces échelles. Ils n'ont jamais été détectés.

Ils ont pourtant été annoncés. En mars 2014, l'équipe de l'expérience BICEP2, installée au pôle Sud, annonce avoir détecté des modes B. L'annonce fait le tour du monde comme la preuve de l'inflation. Mais la polarisation de la lumière n'a pas qu'une source : les grains de poussière de notre propre Galaxie, alignés par son champ magnétique, émettent eux aussi une lumière polarisée, qui peut dessiner des tourbillons. Pour séparer les deux, il faut observer à plusieurs fréquences, car la poussière et le fond diffus ne brillent pas de la même façon selon la longueur d'onde. L'analyse conjointe menée avec l'équipe de Planck, qui observait à des fréquences où la poussière domine, conclut en 2015 qu'une grande partie du signal vient de la poussière galactique polarisée, et ne trouve « aucune preuve statistiquement significative de modes tensoriels » ; elle fixe seulement une limite supérieure, r < 0,12 Bkp 2015.

Depuis, la limite se resserre sans que rien n'apparaisse. En 2018, Planck combiné à BICEP2 et à Keck, son successeur, donne r < 0,056 planck2018inf. En 2021, BICEP et Keck, avec les données accumulées jusqu'en 2018, donnent r < 0,036 à 95 % de confiance, la contrainte la plus forte à ce jour Bk 2021. Chaque limite élimine les modèles qui prédisaient un r supérieur.

La prochaine étape est un satellite japonais, LiteBIRD, conçu pour mesurer r avec une sensibilité de 0,001 litebird-ipmu, soit une trentaine de fois mieux que la limite actuelle. Son objectif affiché est de fournir « un test direct de la théorie de l'inflation » Litebird 2025. Son lancement a glissé : la page du programme annonçait encore le milieu des années 2020, l'annonce de décembre 2025 dit seulement « dans les années 2030 » litebird-ipmuLitebird 2025.

Ce que LiteBIRD pourra dire n'est pas symétrique. L'amplitude de r dépend du modèle. Certains modèles prédisent un r supérieur aux limites actuelles : ceux-là sont déjà éliminés. D'autres prédisent un r de l'ordre de quelques millièmes, à la portée de LiteBIRD ; d'autres encore un r trop petit pour lui litebird-ipmu. Une détection serait donc un argument très fort, parce qu'elle verrait l'espace-temps lui-même fluctuer à l'époque de l'inflation. Une non-détection éliminerait une grande famille de modèles, dont plusieurs des plus simples, mais elle ne réfuterait pas l'idée d'inflation en général, puisque des versions à r minuscule resteraient permises. Cette asymétrie est une propriété de la famille inflationnaire, pas une faiblesse des instruments. Et c'est précisément ce que ses critiques lui reprochent.

Une controverse entre pionniers

La controverse sur l'inflation n'oppose pas des marginaux au consensus. Elle oppose des fondateurs entre eux. Paul Steinhardt compte parmi les pionniers de l'inflation Ijjas 2013. En 2013, au lendemain des premiers résultats de Planck, il publie avec Anna Ijjas et Abraham Loeb un article intitulé « Le paradigme inflationnaire en difficulté après Planck 2013 ». Ils y soutiennent que les données de Planck « défavorisent tous les scénarios inflationnaires les mieux motivés » Ijjas 2013.

Leur argument relève trois problèmes Ijjas 2013. Le premier est celui des conditions initiales. L'inflation devait dispenser le modèle d'un état de départ réglé à l'extrême ; or, pour qu'elle démarre, il faut déjà une région assez lisse. Le problème de départ est repoussé, pas supprimé. Le deuxième tient au multivers. Dans de nombreux modèles, l'inflation ne s'arrête pas partout en même temps : elle se poursuit indéfiniment quelque part, et produit sans fin des régions où elle a cessé, chacune pouvant avoir ses propres propriétés. On parle d'inflation éternelle. Si tout ce qui peut arriver arrive quelque part, le scénario risque de ne plus rien prédire. Le troisième est un « problème d'invraisemblance » : les modèles que les données favorisent, ceux dont le potentiel forme un plateau, seraient justement ceux qu'on juge les moins naturels dans la théorie.

En 2017, dans le magazine Scientific American, Ijjas, Steinhardt et Loeb vont plus loin : l'inflation, disent-ils, ne peut pas être testée guth2017letter. La réponse vient sous la forme d'une lettre au même magazine, signée par Alan Guth, Andreï Linde, David Kaiser, Yasunori Nomura et 29 autres chercheurs, dont Stephen Hawking. Elle est nette : « l'inflation est non seulement testable, mais elle a été soumise à un nombre important de tests et les a tous passés jusqu'ici » guth2017letter.

Les deux camps ne se contredisent pas sur les données. Ni l'un ni l'autre ne conteste les valeurs de n_s, l'adiabaticité ou la platitude. Ils s'opposent sur ce que l'on teste. Les signataires de la lettre désignent les prédictions des modèles d'inflation qu'on écrit et qu'on confronte aux mesures ; ces prédictions ont été vérifiées, et certaines versions ont été éliminées. Ijjas, Steinhardt et Loeb visent le « paradigme » : l'ensemble de tous les modèles d'inflation possibles, si vaste et si souple qu'il pourrait s'accommoder de presque tout résultat. L'asymétrie décrite à la section précédente est leur meilleur exemple : une détection de modes B confirmerait l'inflation, une non-détection ne la réfuterait pas.

Ce qui départagerait les deux positions est connu dans son principe : une alternative à l'inflation qui reproduise aussi bien les mesures actuelles tout en annonçant autre chose sur une observable à venir. En attendant, l'issue dépend de LiteBIRD de façon inégale. Une détection de modes B primordiaux donnerait raison aux défenseurs de l'inflation ; une non-détection ne trancherait rien, et la controverse continuerait.

Les deux contestations, que l'inflation soit la seule explication possible des mesures et que la notion très souple de « paradigme inflationnaire » puisse être réfutée, sont compatibles avec le fait que l'inflation a passé ses tests Ijjas 2013guth2017letter.

Un bord dans le passé

Même en admettant l'inflation, une question reste entière : d'où vient-elle ? Si elle a posé l'état de départ de l'Univers chaud, qu'est-ce qui a posé le sien ? Une réponse séduisante serait qu'elle n'en a pas besoin : l'inflation éternelle, qui se poursuit indéfiniment quelque part vers le futur, pourrait aussi s'être poursuivie indéfiniment vers le passé. L'Univers n'aurait alors pas de commencement, seulement une inflation sans fin dans les deux sens.

Un théorème publié en 2003 par Arvind Borde, Alan Guth et Alexander Vilenkin ferme cette porte, au moins dans le cadre de la relativité générale classique. Son principe a été présenté à propos de l'argument du kalam (→ chap. 2). Il suffit ici d'en rappeler la forme. Le théorème est « purement cinématique » : il ne porte que sur les mouvements, sans rien supposer des forces ni de la nature de la matière, et ne « requiert aucune condition d'énergie » Bgv 2003. Il suppose seulement que l'expansion, mesurée en moyenne le long de la trajectoire d'une particule ou d'un rayon de lumière qu'on remonte vers le passé, est positive. Il montre alors que l'expansion totale accumulée le long de cette trajectoire est bornée. Or, si la trajectoire se prolongeait indéfiniment dans le passé avec une expansion moyenne positive, l'expansion accumulée serait infinie ; puisqu'elle est bornée, la trajectoire ne peut pas l'être. Un modèle en inflation, ou « simplement en expansion suffisamment rapide », est donc incomplet vers le passé Bgv 2003. La conclusion des auteurs porte directement sur la question de ce chapitre : les modèles inflationnaires « requièrent une physique autre que l'inflation pour décrire la frontière passée de la région en inflation » Bgv 2003. L'inflation ne peut pas être son propre point de départ.

Vilenkin et Audrey Mithani ont étendu l'argument en 2012 à d'autres scénarios qui promettaient un passé éternel. L'inflation éternelle et l'évolution cyclique seraient elles aussi incomplètes vers le passé ; l'univers dit « émergent », qui aurait passé un temps infini dans un état statique avant de se mettre en expansion, pourrait s'effondrer par effet quantique et ne peut donc pas avoir un passé éternel Mithani 2012. Aucun des trois ne fournirait l'éternité qu'on lui prêtait.

Le théorème a des limites qu'il faut énoncer aussi nettement que son résultat, parce qu'on lui fait souvent dire davantage, et que le chapitre précédent a montré ce que devient ce « davantage » dans les mains de l'apologétique (→ chap. 2).

Il ne démontre ni une singularité, ni un instant zéro. « Incomplet vers le passé » veut dire que la description classique s'arrête sur un bord ; le théorème ne dit pas ce qu'il y a sur ce bord. Ses auteurs eux-mêmes concluent à la nécessité d'« une autre physique », pas à un commencement absolu Bgv 2003. Que ce bord soit un commencement est la lecture que Vilenkin défend Mithani 2012, mais le théorème ne suffit pas à l'établir.

Il ne dit rien hors de ses hypothèses. Il porte sur un espace-temps classique, décrit par la relativité générale ; il ne dit rien d'un régime de gravité quantique, où la géométrie elle-même n'est plus définie. Il suppose aussi une expansion moyenne positive : un univers qui se serait d'abord contracté, puis aurait rebondi, n'en remplit pas forcément la condition, puisque la phase de contraction fait baisser la moyenne Bgv 2003.

Enfin, sa borne elle-même est contestée. En 2023, Jerome Lesnefsky, Damien Easson et Paul Davies montrent que le calcul de l'expansion moyenne donne des résultats différents selon les hypothèses faites sur la topologie de l'espace, c'est-à-dire sur sa forme globale ; ils exhibent une famille infinie de solutions dont les trajectoires se prolongent indéfiniment vers le passé malgré une expansion moyenne positive, et jugent l'affirmation habituelle tirée du théorème « une question ouverte » Lesnefsky 2023.

Le résultat utile pour ce chapitre survit à ces réserves : dans le cadre où l'inflation est formulée, elle ne peut pas avoir duré depuis toujours, et ce qui l'a précédée demande une physique qu'on n'a pas. La question du chapitre, ce qui a fixé l'état de départ, remonte donc d'un cran sans trouver de réponse. L'inflation fixe l'état de départ de l'Univers chaud ; rien de ce qu'on sait ne fixe le sien.

Ce qui occupe le bord

Trois programmes théoriques proposent de décrire ce qui se trouve à la frontière passée. Ils ont été présentés du point de vue de la question de l'avant dans le chapitre 1 ; il s'agit ici de les situer par rapport à l'inflation et aux données. Aucun n'a d'appui observationnel, et ils en sont à des stades très différents Ashtekar 2006Hartle 1983Gurzadyan 2010.

Le premier remplace le commencement par un rebond : dans un modèle simplifié de cosmologie quantique à boucles, Abhay Ashtekar, Tomasz Pawlowski et Parampreet Singh montrent en 2006 que « le big bang est remplacé par un grand rebond » Ashtekar 2006. Notre Univers en expansion aurait été précédé d'un univers en contraction, et c'est précisément le cas que le théorème de Borde-Guth-Vilenkin ne couvre pas forcément. Le rebond ne remplace pas l'inflation : il ne produit pas seul le spectre presque invariant d'échelle qu'on observe, et se greffe sur elle Agullo 2023. Ainsi combiné, il laisse des traces là où aboutissent les fluctuations les plus anciennes, celles que l'inflation a le plus étirées : dans les plus grands motifs du ciel, ceux qui couvrent plusieurs degrés ou davantage, où il modifie la puissance des fluctuations dans l'exemple de référence Agullo 2023¹³. Ashtekar et ses collègues en tirent en 2020 une prédiction pour la polarisation : une diffusion plus forte de la lumière du fond diffus sur son trajet (on parle de profondeur optique) et des modes B atténués aux grandes échelles Ashtekar 2020, deux grandeurs que LiteBIRD visera. Mais ces prédictions sont conditionnelles. Leur signe dépend de l'état initial choisi pour les fluctuations : certains choix réduisent la puissance aux grandes échelles, d'autres l'augmentent Agullo 2023. Et si l'inflation a duré nettement plus que le minimum requis, les motifs nés au rebond sont aujourd'hui plus grands que l'Univers observable : une absence de signal dirait alors seulement que l'inflation a été longue Agullo 2023.

Le deuxième supprime le bord au lieu de le franchir : c'est l'état « sans bord » de James Hartle et Stephen Hawking (1983), dont l'image du pôle Sud a été présentée au chapitre 1 Hartle 1983. Rapporté à l'inflation, il a une ambition précise : dire dans quel état l'Univers y entre, et donc répondre à l'objection des conditions initiales formulée par Ijjas, Steinhardt et Loeb. Pour les fluctuations plus petites que l'Univers, il donne les mêmes que l'inflation standard, « en bon accord avec l'expérience » Maldacena 2024 ; rien ne l'en distingue sur ce terrain. Sa prédiction propre porte sur la courbure d'ensemble de l'espace, et sous sa forme simple elle est fausse : il favorise un univers petit, issu de peu d'inflation et nettement courbé. Juan Maldacena demande en 2024 pourquoi l'on n'observe pas une courbure de l'ordre de 10 % au lieu d'une platitude mesurée à 0,4 % près Maldacena 2024planck2018inf. Les remèdes proposés, un autre état initial ou une autre forme globale de l'espace, par exemple celle d'un tore, ne s'imposent pas pour l'instant Maldacena 2024Godet 2026. La dispute sur la formulation porte, elle, sur la cohérence du calcul plus que sur une donnée. En le reformulant avec un temps réel, dit lorentzien, Job Feldbrugge, Jean-Luc Lehners et Neil Turok obtiennent en 2017 un facteur « exactement l'inverse du fameux résultat de Hartle-Hawking » Feldbrugge 2017, et trouvent que les ondes gravitationnelles primordiales n'y sont pas amorties, ce qui rendrait inexplicable un univers lisse comme le nôtre Flt 2017b. Hartle, Thomas Hertog et leurs collègues répondent qu'une autre formulation lorentzienne retrouve des univers en inflation, à fluctuations presque gaussiennes Dorronsoro 2017. Le désaccord porte sur la définition mathématique de l'objet ; aucune mesure ne le départage.

Le troisième fait de notre Big Bang la suite d'un autre univers. Pour Roger Penrose, notre Big Bang serait la fin, remise à une autre échelle, d'un « éon » précédent : l'Univers passerait d'éon en éon, chacun commençant là où le précédent, infiniment dilué, s'achève Gurzadyan 2010. Ce scénario, dit de cosmologie cyclique conforme, a une qualité que les deux autres n'ont pas encore : il prédit des traces observables de l'éon antérieur dans le fond diffus. Vahe Gurzadyan et Penrose annoncent en 2010 avoir trouvé, dans les données du satellite WMAP, des familles de cercles concentriques où la température varie anormalement peu, à six écarts-types Gurzadyan 2010. Ingunn Wehus et Hans Kristian Eriksen retrouvent les cercles en 2011, mais montrent sur des simulations que le ciel observé est « entièrement compatible avec le modèle ΛCDM », le modèle standard sans éon antérieur Wehus 2011 : de tels cercles apparaissent par hasard dans un ciel sans mémoire. Des « points de Hawking », taches chaudes interprétées comme la trace de trous noirs de l'éon précédent, sont annoncés ensuite à 99,98 % de confiance ; une fois prise en compte la variation de la taille des anneaux, l'excès tombe à 87 %, « guère plus de 1σ », selon Daniel Jow et Douglas Scott en 2020 Jow 2020. Le scénario a le mérite d'être testable, et ses tests sont pour l'instant négatifs.

Deux confusions sont à éviter. Rebond et cycle ne sont pas le même modèle : le rebond de la cosmologie quantique à boucles fait succéder une expansion à une contraction, par un effet quantique au régime de Planck ; la cosmologie cyclique de Penrose enchaîne des éons dont la fin dilatée devient un nouveau commencement, sans phase de contraction Ashtekar 2006Gurzadyan 2010. Et aucun de ces programmes n'est une alternative à l'inflation au sens où le seraient les scénarios de Steinhardt : le rebond et l'état sans bord cherchent à dire ce qui précède ou prépare l'inflation, non à la remplacer¹⁴.

Ce qu'on ne sait pas

On ne sait pas si l'inflation a eu lieu, au sens où l'on sait que le fond diffus a été émis. On sait qu'une phase très ancienne a laissé des empreintes (fluctuations quasi invariantes d'échelle, adiabatiques, pics acoustiques en phase, Univers plat) et que l'inflation les prédit toutes. Ce qui manque est la signature qui ne s'explique guère autrement, les modes B primordiaux. Deux issues sont attendues de LiteBIRD dans les années 2030 : une détection, qui rendrait l'inflation très difficile à contester ; une non-détection sous r ≈ 0,001, qui éliminerait les modèles les plus simples sans trancher la controverse Litebird 2025Bk 2021.

On ne sait pas quelle inflation. La valeur de n_s donnée par ACT en 2025 défavorise le modèle de Starobinsky et plusieurs autres, mais ce résultat a un an et n'a pas encore été confirmé par une mesure indépendante starob-act. Ce qui le consoliderait est une mesure indépendante des mêmes échelles. La nature du champ inflaton, sa forme, son lien avec la physique des particules restent des hypothèses Baumann 2009.

On ne sait pas ce qui a fixé l'état de départ de l'inflation. L'objection des conditions initiales d'Ijjas, Steinhardt et Loeb n'a pas de réponse acceptée Ijjas 2013. L'état sans bord prétend en donner une, mais sa forme simple prédit une courbure que l'observation contredit, et sa formulation même est disputée Maldacena 2024Feldbrugge 2017.

On ne sait pas ce qu'est le bord passé de l'inflation. Le théorème de Borde-Guth-Vilenkin établit, sous ses hypothèses classiques, que la région en inflation a une frontière passée ; Lesnefsky, Easson et Davies contestent la généralité de la borne Bgv 2003Lesnefsky 2023. Sur ce bord, les trois programmes sont des hypothèses : le rebond prédit des effets aux plus grandes échelles du ciel, conditionnels et de signe discuté ; l'état sans bord prédit une courbure que l'observation contredit sous sa forme simple ; les cycles de Penrose ont été testés et n'ont pas trouvé leurs signaux Agullo 2023Maldacena 2024Jow 2020.

La sortie de l'emballement

Voici ce qu'on peut écrire. L'Univers a connu, très tôt, une phase dont les empreintes sont mesurées avec précision et correspondent à ce que prédit l'inflation : des fluctuations presque invariantes d'échelle avec un indice un peu inférieur à 1, adiabatiques, en phase, dans un espace plat à 0,4 % près planck2018infAct 2025. Ces empreintes montrent que l'inflation passe ses tests ; elles ne montrent pas qu'elle est la seule à pouvoir les passer. Sa signature la plus directe, les modes B des ondes gravitationnelles primordiales, n'a pas été vue : annoncée à tort en 2014, elle reste sous r < 0,036 Bkp 2015Bk 2021. Le choix entre les versions d'inflation vient de bouger avec ACT, et ce mouvement demande confirmation Act 2025starob-act. Un théorème, dans le cadre classique où l'inflation est formulée, montre qu'elle ne peut pas avoir duré depuis toujours et qu'une autre physique doit décrire sa frontière passée Bgv 2003. On ne peut pas dire si cette frontière est un commencement, un rebond, une géométrie sans bord ou la fin d'un autre éon. Les trois pistes existent ; aucune n'est confirmée.

La question du chapitre reçoit donc une réponse en deux étages. Ce qui a fixé l'état de départ de l'Univers chaud, c'est probablement l'inflation : elle en a lissé la température, aplati la géométrie, dilué les monopôles et semé les fluctuations. Ce qui a fixé l'état de départ de l'inflation, on ne le sait pas, et l'on ne sait même pas si la question garde un sens au bord.

La partie du livre se ferme ainsi sur la question qu'elle posait, peut-on dire comment, et même si, l'Univers a commencé. Pas avec les connaissances actuelles. Augustin avait écarté l'« alors » d'avant le monde (→ chap. 1) ; le chapitre suivant a séparé le commencement de l'existence (→ chap. 2) ; celui-ci arrive au plus loin que remontent les indices et trouve un bord que la théorie trace sans le franchir.

C'est pourquoi les horloges de la cosmologie ne partent pas d'un instant zéro : Planck définit l'âge de l'Univers comme le temps écoulé « depuis le début du Big Bang chaud » planck2018tab, comme on l'a vu au chapitre 1. À la fin de l'emballement, l'énergie qui entraînait l'expansion accélérée se convertit en particules et en chaleur : c'est ce qu'on appelle le réchauffement, moment où se serait peut-être formé l'excès de matière sur l'antimatière Canetti 2012¹⁵. L'Univers devient une soupe brûlante de particules, dont la physique est testée dans les accélérateurs. C'est de là que part (→ chap. 4), et c'est là que le livre passe du plausible au connu.

Notes