L’antimatière a disparu
Les lois de la physique fabriquent matière et antimatière en quantités égales. Or l’univers observable n’en contient pratiquement aucune. La moitié du contenu prévu manque à l’appel, et rien n’explique où elle est passée.
Une seule géométrie, deux feuillets. D’un côté la matière que nous voyons ; de l’autre, des masses négatives, invisibles, qui creusent les grands vides du cosmos. Visite guidée du modèle Janus — sans une seule équation.
Le modèle standard de la cosmologie décrit remarquablement bien ce qu’il observe. Mais pour y parvenir, il doit supposer que 95 % du contenu de l’univers nous est totalement inconnu.
Les lois de la physique fabriquent matière et antimatière en quantités égales. Or l’univers observable n’en contient pratiquement aucune. La moitié du contenu prévu manque à l’appel, et rien n’explique où elle est passée.
Le télescope James-Webb montre des galaxies spirales déjà complètes, peuplées d’étoiles vieilles, alors que l’univers n’a que 500 millions d’années. Les scénarios standards de formation ont besoin d’un milliard d’années.
En 2017, la cartographie de notre environnement cosmique a révélé le Dipole Repeller : une région de cent millions d’années-lumière, quasiment vide, qui repousse les galaxies. Une absence de matière n’explique pas une telle poussée.
Mesurée sur le fond diffus cosmologique, la constante de Hubble vaut environ 67 km/s/Mpc. Mesurée directement sur les étoiles proches, environ 73. Les deux méthodes refusent de s’accorder : c’est la « tension de Hubble ».
Et si ces quatre énigmes n’en faisaient qu’une ? Le modèle Janus propose une seule hypothèse — l’univers possède un second feuillet, peuplé de masses négatives — et en tire les quatre réponses. C’est ce chemin que cette page suit, étape par étape.
En 1967, le physicien soviétique Andreï Sakharov cherche où est passée l’antimatière primordiale. Sa réponse est audacieuse : elle n’a jamais disparu — elle est de l’autre côté.
Sakharov imagine que le Big Bang n’a pas donné naissance à un univers, mais à deux feuillets, accrochés à la même singularité initiale. Le nôtre, et un jumeau dont la flèche du temps pointe en sens inverse.
Les deux feuillets sont énantiomorphes : images miroir l’un de l’autre, comme une main gauche et une main droite. Dans notre feuillet, la matière l’a emporté d’un cheveu sur l’antimatière. Dans le jumeau, c’est l’inverse. À l’échelle de l’ensemble, la symétrie est restaurée : rien n’a disparu.
Reste une question redoutable. Qu’est-ce que cela change, physiquement, de renverser le temps ? La réponse vient d’un mathématicien.
En étudiant les symétries de l’espace-temps avec les outils de la géométrie symplectique, Souriau démontre un résultat net : appliquer l’inversion du temps au mouvement d’une particule inverse son énergie. Et comme la masse se déduit de l’énergie, elle s’inverse aussi.
Autrement dit : l’antimatière primordiale de Sakharov, celle qui manque à l’appel, serait faite de masses négatives. Elle n’est pas cachée — elle est simplement invisible, pour une raison que nous verrons plus loin.
Il montre que faire cohabiter masses positives et négatives dans la relativité générale produit un couple qui s’emballe indéfiniment — et viole le principe d’action-réaction. Conclusion de l’époque : les masses négatives sont impossibles.
Deux feuillets reliés par le Big Bang, aux flèches du temps opposées, pour rendre compte de l’asymétrie matière-antimatière.
L’inversion du temps inverse l’énergie, donc la masse. Le feuillet jumeau est peuplé de masses négatives.
Plutôt qu’une seule équation de champ, deux, couplées. La construction élimine l’emballement de Bondi. Les premières simulations prédisent une structure de l’univers « en bulles jointives », avec de grands vides.
Découverte du Dipole Repeller, puis galaxies précoces du James-Webb. Deux prédictions du modèle, faites vingt ans plus tôt.
Petit, Margnat & Zejli exposent la version complète du modèle : groupe dynamique, topologie projective, équations de champ couplées, confrontation aux données.
Un second feuillet d’univers, soit. Mais où ? La réponse n’est pas une adresse, c’est une forme. Et pour la comprendre, un ruban de papier suffit.
Prenez une bande de papier, donnez-lui un demi-tour, collez les extrémités : vous obtenez un ruban de Möbius. Il n’a qu’une seule face — un crayon posé dessus parcourt tout le ruban sans jamais franchir de bord — et un seul bord. On dit qu’il est non orientable.
La conséquence est celle qui nous intéresse : si vous transportez un repère le long du ruban, il revient à son point de départ retourné. La droite est devenue la gauche. Rien ne s’est passé en chemin ; c’est la forme globale de l’objet qui impose le retournement.
Dans le modèle Janus, la même chose arrive à la flèche du temps. Et par le résultat de Souriau, un temps retourné, c’est une masse retournée. Le marcheur ci-dessous fait le tour : regardez l’encadré.
Une surface est orientable si l’on peut y définir partout, de façon continue, un dessus et un dessous. La sphère l’est. Le ruban de Möbius, non : en le parcourant, le dessus devient le dessous.
Une bande, un demi-tour, un morceau de ruban adhésif. Tracez un trait sans lever le crayon : il revient à son point de départ après avoir couvert les deux « faces ». Coupez ensuite la bande en deux dans la longueur : elle reste en un seul morceau.
Préparation de la scène…
Localement, le ruban a bien un dessus et un dessous. Globalement, non : les deux se rejoignent. C’est exactement le rapport entre les deux feuillets de Janus — voisins partout, distincts nulle part.
Un tour retourne le repère ; il en faut deux pour retrouver l’état initial. On dit que le ruban est un « revêtement à deux feuillets ». Le même mot que pour l’univers de Sakharov.
Le marcheur ne traverse aucune frontière, ne franchit aucun mur. L’inversion n’est pas un événement local : c’est une propriété de la forme de l’espace tout entier.
Le ruban de Möbius est une bande ; l’univers est un volume. Il faut donc monter d’un cran — et l’objet qui apparaît alors est l’une des plus belles surfaces des mathématiques.
Représentons un espace-temps fermé, en deux dimensions seulement, par une sphère. Le pôle nord est le Big Bang, le pôle sud le Big Crunch, et les parallèles sont l’espace à chaque instant : un point au départ, qui grandit jusqu’à l’équateur, puis se referme.
Maintenant, appliquons l’idée de Sakharov : identifions chaque point à son antipode. Chaque point de la sphère et celui qui lui fait diamétralement face deviennent un seul et même point. Les deux pôles — Big Bang et Big Crunch — se rejoignent : la double singularité disparaît.
L’objet obtenu s’appelle le plan projectif. Il est non orientable, comme le ruban de Möbius, mais il n’a plus de bord du tout. On ne peut pas le plonger proprement dans notre espace à trois dimensions ; on peut seulement l’y « immerger », en s’autorisant une auto-intersection. C’est ce qu’a fait Werner Boy en 1903, et c’est la surface ci-dessous.
Le plan projectif ne tient pas dans un espace à trois dimensions sans se traverser lui-même ; il en faudrait quatre. La surface de Boy est le meilleur compromis connu : une seule courbe d’auto-intersection, un seul point triple, et aucun pli ni pointe.
Retirez un disque au plan projectif : il reste exactement un ruban de Möbius. Recollez-en deux : vous obtenez une bouteille de Klein. Ces trois objets sont les figures de base du non-orientable — et c’est sur elles que le modèle s’appuie.
Préparation de la scène…
Tout ceci se passe en deux dimensions, pour être visible. Le modèle Janus travaille en quatre : l’univers y est décrit comme le revêtement à deux feuillets d’un espace projectif à quatre dimensions. Impossible à dessiner — mais les propriétés qui comptent, la non-orientabilité et la disparition des singularités, sont exactement les mêmes. La sphère et la surface de Boy sont des maquettes fidèles, à une dimension près.
L’idée choque, et pour une bonne raison : pendant soixante ans, on a cru avoir démontré qu’elle était impossible. Le modèle Janus commence par expliquer pourquoi cette démonstration ne vaut plus.
Une masse négative, ce n’est pas de l’antimatière ordinaire — celle des accélérateurs, qui pèse positivement. C’est une matière dont l’énergie est négative : poussez-la, elle vient vers vous ; tirez-la, elle s’enfuit.
En 1957, Hermann Bondi met le doigt sur le problème. Placez côte à côte une masse positive et une masse négative de même valeur. La positive est repoussée, la négative est attirée — et le couple se met à foncer, indéfiniment, sans qu’aucune énergie ne soit fournie. C’est l’effet d’emballement, le runaway. Le principe d’action-réaction est piétiné.
Verdict de l’époque, jamais remis en cause depuis : on ne peut pas mettre de masse négative dans la relativité générale. Et c’est vrai — tant qu’on garde une seule équation de champ.
Dans la relativité générale, une unique équation produit une unique géométrie, donc une unique famille de trajectoires que toutes les particules doivent suivre. Une masse positive attire tout ce qui passe, une masse négative repousse tout ce qui passe — y compris sa semblable. L’emballement est alors inévitable.
Deux populations, deux géométries, deux équations couplées sur le même espace. Chacune suit ses propres trajectoires, tout en influençant celles de l’autre. Les lois d’interaction qui en sortent ne sont plus celles de Bondi — et l’emballement disparaît.
Même couple de masses, mêmes conditions initiales. Seules les lois d’interaction changent.
Préparation de la scène…
Loi de Newton, inchangée. Rien de ce que nous connaissons localement n’est modifié.
Les masses négatives s’attirent entre elles, également selon Newton. Elles peuvent donc former des structures.
Entre signes opposés, la force change de sens : c’est une loi « anti-Newton ». Symétrique, donc sans emballement.
« Bimétrique » sonne technique. L’idée, elle, tient en une image.
En relativité générale, la gravitation n’est pas une force : c’est la forme de l’espace-temps. Cette forme est encodée par un objet mathématique appelé métrique — la règle qui dit quelle distance sépare deux points, et combien de temps s’écoule entre deux événements. Les corps suivent les chemins les plus droits possibles dans cette géométrie.
Le modèle Janus garde un seul espace-temps, avec les mêmes points, mais lui donne deux métriques. Imaginez une ville et deux réseaux de transport superposés : mêmes carrefours, mais pas les mêmes distances, ni les mêmes trajets optimaux. La matière ordinaire circule sur le premier réseau, la matière jumelle sur le second. Et chaque population déforme les deux réseaux.
Les deux équations de champ sont couplées : la matière de chaque côté apparaît comme source dans l’équation de l’autre. C’est ce couplage — et un signe moins, placé exactement là où il faut — qui produit les trois lois d’interaction, et qui tue l’effet d’emballement.
Là où l’une des deux espèces est présente, l’autre est absente : elles se repoussent. Au voisinage du Soleil, il n’y a donc pas de masse négative, et la première équation de Janus se confond avec celle d’Einstein de 1915.
Conséquence : tous les tests classiques de la relativité générale restent vérifiés — avance du périhélie de Mercure, déviation des rayons lumineux par le Soleil, décalage gravitationnel. Janus ne contredit pas la relativité générale ; il s’en présente comme une extension.
Un seul ingrédient au lieu de deux, et il a une identité précise : de l’antimatière au sens de Dirac, dotée d’une masse négative. Reste à expliquer pourquoi on ne la voit pas.
C’est ici que le modèle devient prédictif. Faites cohabiter les deux espèces avec leurs trois lois, et l’univers qui en sort ne ressemble pas du tout à celui du modèle standard.
Les masses négatives portent l’essentiel de la masse totale. Quand la gravitation commence à sculpter l’univers, ce sont donc elles qui s’effondrent en premier : elles se rassemblent en énormes conglomérats sphéroïdaux, régulièrement répartis.
La matière ordinaire, elle, est repoussée par ces conglomérats. Elle n’a plus qu’un endroit où aller : l’espace résiduel entre les bulles. Elle s’y retrouve comprimée en plaques minces, prise en sandwich, puis rassemblée le long des arêtes communes à trois bulles — ce sont les filaments — et enfin concentrée aux nœuds, qui deviendront les amas de galaxies.
Cette compression a une conséquence qui se mesure : comprimée en plaques, la matière chauffe violemment mais refroidit très vite par rayonnement. Les premières étoiles et galaxies se forment alors dans les tout premiers centaines de millions d’années — et non après un milliard d’années, comme le prévoit le scénario standard. C’est précisément ce que montre le télescope James-Webb.
Un nuage s’effondre d’autant plus vite qu’il est dense : le temps caractéristique varie comme l’inverse de la racine de la densité. Les masses négatives portent 95 % de la masse : elles s’effondrent les premières, et imposent leur géométrie à tout le reste.
Ces conglomérats se comportent comme d’immenses proto-étoiles, mais leur temps de refroidissement dépasse l’âge de l’univers : ils n’évoluent plus. Pas de nucléosynthèse, donc pas d’éléments plus lourds que l’hélium, pas d’étoiles, pas de planètes — et pas de vie.
Préparation de la scène…
Les simulations du modèle annonçaient une structure lacunaire, en bulles jointives. Les grands vides cosmiques ont été cartographiés depuis.
Un vide de cent millions d’années-lumière qui repousse les galaxies, à 600 millions d’années-lumière de nous. Dans Janus, c’est un conglomérat de masse négative — invisible, mais répulsif.
Des spirales barrées complètes à 500 millions d’années après le Big Bang. Une anomalie pour le modèle standard ; une conséquence attendue du confinement en plaques.
Si 95 % de l’univers est fait de masses négatives, pourquoi nos télescopes ne montrent-ils rien ? La réponse du modèle est simple, et elle débouche sur une prédiction vérifiable.
Les masses négatives émettent des photons d’énergie négative. Nos yeux, nos capteurs, nos miroirs ne savent capter que des photons d’énergie positive. Les deux populations de lumière s’ignorent : un conglomérat de masse négative peut briller autant qu’il veut, aucun de nos instruments n’enregistre quoi que ce soit.
Mais elles ne sont pas pour autant indétectables. Une masse, même négative, déforme la géométrie — et donc le trajet de la lumière qui passe à côté, y compris la nôtre.
Une masse positive fait converger les rayons : c’est la lentille gravitationnelle classique, qui amplifie et déforme en arcs les galaxies d’arrière-plan. Une masse négative fait exactement l’inverse : elle les fait diverger. Les sources situées derrière un grand vide doivent donc apparaître moins lumineuses, selon un motif en anneau.
C’est la prédiction que le modèle met sur la table : une carte de magnitudes en arrière-plan du Dipole Repeller. Si l’atténuation n’y est pas, le modèle est faux.
Un bon modèle ne se contente pas d’expliquer ce qu’on sait déjà : il s’expose. Celui-ci prend trois risques. Il a prédit les grands vides avant qu’on les cartographie. Il a prédit la formation précoce des galaxies avant le James-Webb. Il prédit aujourd’hui un anneau d’assombrissement dont la mesure donnerait directement le rayon du conglomérat.
Préparation de la scène…
C’est la partie la plus contestée du programme, et il faut le dire d’emblée. Mais elle découle de la même géométrie que tout le reste — et elle est, au moins, parfaitement claire.
L’image habituelle du trou noir tient en deux éléments : une surface appelée horizon, d’où rien ne ressort, et en son cœur une singularité centrale — un point où la densité devient infinie et où la physique cesse d’avoir un sens.
Cette singularité est gênante. Un bon millier d’articles décrivent ce qui se passe « à l’intérieur ». Or, en 2014, Jean-Pierre Petit montre qu’un simple changement de variable la fait disparaître : dans les bonnes coordonnées, la solution ne comporte plus aucune singularité.
Ce qui apparaît à la place est une sphère de gorge : un passage. La coordonnée radiale ne descend jamais sous le rayon de cette sphère — il n’y a donc pas de centre, pas d’intérieur, rien à atteindre. En franchissant la gorge, on ressort de l’autre côté : sur l’envers de notre propre hypersurface espace-temps.
Et cette traversée a un prix. L’espace change d’orientation — la droite devient la gauche — et la coordonnée de temps se retourne. Par le résultat de Souriau, cela signifie que la masse s’inverse. Ce qui tombe dans un trou noir de notre feuillet en ressort, de l’autre côté, avec une masse négative. La boucle est bouclée.
Cette élimination de la singularité est vivement contestée. Les spécialistes objectent que le changement de coordonnées proposé annule le déterminant de la métrique sur la sphère de gorge — la métrique n’y est alors plus inversible, ce qui est mathématiquement irrégulier.
La réponse de Petit est que cette irrégularité est précisément ce qu’il faut pour passer d’une orientation à l’autre : une structure non orientable ne peut pas être recouverte par un système de coordonnées régulier partout. Le désaccord porte donc sur la légitimité de cette structure, pas sur le calcul. Il n’est pas tranché.
Préparation de la scène…
Le modèle Janus est une proposition minoritaire. Il est publié, discuté, et solidement critiqué. Une présentation honnête doit montrer les deux colonnes.
Un modèle publié n’est pas un modèle validé. Janus a le mérite d’être clair, géométriquement motivé, et falsifiable : il énonce des prédictions qui peuvent le tuer. C’est à ce titre qu’il mérite d’être compris — puis jugé sur les observations, pas sur les arguments d’autorité, dans un sens comme dans l’autre.
Le groupe de Poincaré et les quatre composantes du groupe de Lorentz, l’origine de l’inversion de masse, la construction des deux équations de champ, la solution cosmologique exacte, et la confrontation aux 1 588 supernovæ de Pantheon+ — avec les équations, mais expliquées.
L’article de référence (2024)A bimetric cosmological model based on Andreï Sakharov’s twin universe approach, Petit, Margnat & Zejli, The European Physical Journal C 84, 1226. En libre accès.