Nullius In Verba
  • Le fond diffus cosmologique

    Posté le 16 septembre 2010

    La théorie du Big Bang prédit que l’Univers primordial était très chaud et que en s’élargissant, les gaz qu’il contenait se refroidissaient. L’Univers devrait donc être rempli d’un rayonnement : la chaleur restante laissée par le Big Bang, appelée le fond diffus cosmologique. Il s’agit d’un rayonnement micro-onde (Cosmic Microwave Background Radiation).

    La découverte du fond diffus cosmologique

    L’existence de la radiation CMB a d’abord été prédite par Ralph Alpher, Robert Herman, et George Gamow en 1948, dans le cadre de leur travail sur la nucléo-synthèse du Big Bang. Il a d’abord été observé par inadvertance en 1965 par Arno Penzias et Robert Wilson aux Laboratoires Bell à Murray Hill (Etats-Unis, New Jersey). La radiation agissait comme une source de bruit excessif sur un récepteur radio qu’ils fabriquaient. Par coincidence, des chercheurs à l’Université proche de Princeton, menés par Robert Dicke et incluant Dave Wilkinson de l’équipe scientifique de WMAP, mettaient au point une expérience pour détecter le fond diffus cosmologique (CMB). Quand ils ont entendu parler des résultats des laboratoires Bell ils ont immédiatement réalisé que le CMB venait d’être détecté. Ce résultat a été présenté sous la forme de 2 papiers dans l’Astrophysical Journal (vol 142 de 1965) : un de Penzias et Wilson détaillant les observations, et un de Dicke, Peebles, Roll et Wilkinson donnant leur interprétation cosmologique. Pour cette découverte, Penzias et Wilson se sont partagés le prix Nobel de Physique 1978.

    Aujourd’hui, le fond diffus cosmologique est très froid : seulement 2,725° au dessus du zéro absolu. C’est pour cela que la radiation brille surtout dans la portion micro-ondes du spectre électromagnétique, et est invisible à l’oeil nu. Cependant, il remplit l’Univers et peut être détecté partout où vous regardez. En fait, si l’on pouvait voir les micro-ondes, le ciel tout entier brillerait avec une luminosité qui serait étonnamment uniforme dans chaque direction. Cette uniformité est une raison impérieuse d’interpréter la radiation comme étant ce qui reste de la chaleur du Big Bang : il serait très difficile d’imaginer une source locale de radiation qui soit si uniforme. En fait, plusieurs scientifiques ont essayé d’élaborer des explications pour cette source de radiation mais aucun n’y est arrivé.

    Pourquoi étudier le fond diffus cosmologique ?

    Etant donné que la vitesse de la lumière est limitée, les astronomes qui observent des objets distants voient le passé. La plupart des étoiles qui sont visibles à l’oeil nu dans le ciel nocturne sont à une distance de 10 à 100 années lumière. Nous les voyons donc telles qu’elles étaient il y a 10 à 100 ans. Nous observons Andromède, la grande galaxie la plus proche, telle qu’elle était il y a environ 2,5 millions d’années. Les astronomes qui observent les galaxies éloignées avec le télescope spatial Hubble peuvent les voir telles qu’elles étaient il y a quelques milliards d’années après le Big Bang.

    La radiation fossile du fond diffus cosmologique a été émise seulement quelques centaines de milliers d’années après le Big Bang, bien avant que les étoiles ou les galaxies n’existent. En étudiant les propriétés physiques détaillées de cette radiation, nous pouvons connaître l’état de l’Univers à une très grande échelle puisque la radiation que nous voyons aujourd’hui a voyagé sur une si longue distance et dans des temps très anciens.

    L’origine du fond diffus cosmologique (CMB)

    Une des profondes observations du XXe siècle est que l’Univers est en expansion. Cette expansion implique que l’Univers était plus petit, plus dense et plus chaud dans un passé lointain.

    – Lorsque l’Univers visible était 2 fois moins grand qu’aujourd’hui, la densité de la matière était 8 fois plus élevée et le CMB était 2 fois plus chaud.

    – Quand l’Univers visible était 100 fois moins grand, le CMB était 100 fois plus chaud (273 degrés au dessus du zéro absolu, soit 0°C). En plus du CMB, l’Univers primordial était rempli d’hydrogène très chaud, d’une densité d’environ 1000 atomes par cm3.

    – Quand l’Univers visible était 1000 fois moins grand, la température du CMB était de 273 millions de degrés au-dessus du zéro absolu et la densité de la matière était comparable à la densité de l’air à la surface de la Terre. A ces températures, l’hydrogène était complètement ionisé en protons et électrons libres.

    Puisque l’Univers était très chaud dans la majeure partie du début de son histoire, il n’y avait pas d’atomes dans l’Univers primordiale mais seulement des électrons et des noyaux libres (composés de neutrons et de protons). Les photons du CMB se sont facilement séparés des électrons. Les photons ont ainsi erré dans l’Univers primordial, tout comme la lumière (optique) erre à travers un brouillard très dense. Ce processus de dispersion produit ce qui est appelé un spectre thermique (ou corps noir) de photons. Selon la théorie du Big Bang, la fréquence du spectre du CMB devrait avoir cette forme de corps noir. Ceci a été mesuré avec une précision extraordinaire par l’expérience FIRAS du satellite COBE de la NASA.

    « Surface de dernière diffusion »

    Finalement, l’Univers s’est refroidi suffisamment pour que les protons et les électrons puissent se combiner pour former de l’hydrogène neutre. On pense que cela s’est produit approximativement 400 000 ans après le Big Bang lorsque l’Univers était 111 100 fois plus petit qu’aujourd’hui. Les photons du CMB interagissent très faiblement avec l’hydrogène neutre.

    Le comportement des photos du CMB se déplaçant dans l’Univers primordial est similaire à la propagation de la lumière optique à travers l’atmosphère terrestre. Les gouttes d’eau contenues dans les nuages sont très efficaces pour diffuser la lumière. Les jours nuageux, nous pouvons voir les nuages opaques mais nous ne pouvons pas voir à travers. Les cosmologistes qui étudient le fond diffus cosmologique peuvent voir jusqu’à près de 400 000 ans après le Big Bang. Ce mur de lumière est appelé « surface de dernière diffusion ». Lorsque nous cartographions la température du fond diffus cosmologique, nous cartographions cette surface de dernière diffusion.

    L’une des caractéristiques les plus frappantes du CMB est son uniformité. Seuls des instruments très sensibles peuvent détecter des fluctuations dans cette température. En étudiant ces fluctuations, les cosmologistes peuvent en apprendre plus sur l’origine des galaxies, de leur structure à grande échelle, et peuvent mesurer les paramètres de base de la Théorie du Big Bang.


    La surface de dernière diffusion du fond diffus cosmologique est similaire à la lumière qui passe à travers les nuages pour arriver à nos yeux les jours nuageux. On ne peut voir que la surface du nuage où la lumière s’est diffusée en dernier.

    D’après Universe 101


    3 Trackbacks / Pingbacks

    Laisser une réponse