Fond diffus cosmologique - Définition

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- Introduction - Découverte - Fond diffus cosmologique et Big Bang - Caractéristiques - Fluctuations

Introduction

Carte de la sphère céleste montrant les fluctuations (ou anisotropie) du fond diffus cosmologique observées par le satellite WMAP (juin 2003)

Le fond diffus cosmologique est le nom donné au rayonnement électromagnétique issu de l'époque dense et chaude qu'a connue l'Univers par le passé, le Big Bang. Bien qu'issu d'une époque très chaude, ce rayonnement a été dilué et refroidi par l'expansion de l'Univers et possède désormais une température très basse de 2,726 K (-270,424°C). Le domaine de longueur d'onde dans lequel il se situe est celui des micro-ondes, entre l'infrarouge et les ondes radio. Plus précisément, les longueurs d'onde et fréquence typiques du rayonnement sont respectivement 3 mm et 100 GHz.

Le fond diffus cosmologique est une conséquence des scénarios des théories de Big Bang et son existence a été prédite dans ce cadre-là. Sa prédiction remonte à la fin des années 1940, par Ralph Alpher, Robert Herman et George Gamow. Sa découverte, quelque peu fortuite, a été l'œuvre de deux chercheurs des laboratoires de Bell, Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson, en 1964. Tous deux ont été récompensés du Prix Nobel de physique en 1978.

En 2010, le fond diffus cosmologique est un sujet de recherche extrêmement actif du fait qu'il donne un aperçu de l'Univers tel qu'il était très peu de temps après le Big Bang (environ 380 000 ans plus tard). En particulier, ce rayonnement présente d'infimes variations de température et d'intensité avec la direction, qui permettent d'obtenir quantité d'informations sur l'Univers jeune et sur son contenu actuel. Les premières fluctuations de température du fond diffus cosmologique ont été mises en évidence par le satellite artificiel Cosmic Background Explorer en 1992 et ont valu au responsable de l'instrument ayant permis cette découverte, George Fitzgerald Smoot le Prix Nobel de physique 2006, qu'il partagea avec le responsable d'un autre instrument du satellite, John C. Mather.

Ce faible rayonnement est aussi connu sous le nom de « rayonnement fossile » ou « rayonnement à 3 K » (en référence à sa température). Aucun de ces noms ne correspond exactement à sa traduction anglaise de Cosmic Microwave Background Radiation ou désormais Cosmic Microwave Background (littéralement « (rayonnement) micro-onde de fond cosmique »). En français, l'abréviation la plus couramment utilisée pour le nommer est CMB, issu de l'anglais. On trouve également les abréviations anglaises CMBR et françaises FDC (plus rarement).

Découverte

En 1964, les radio-astronomes Penzias et Wilson, des laboratoires de la compagnie Bell Telephone, disposent d'une antenne qui servait initialement à la communication avec les satellites Echo puis Telstar 1. Ils souhaitaient transformer cette antenne en radio-télescope pour mesurer le rayonnement dans le domaine radio de la Voie lactée. Pour ce faire, ils avaient besoin de calibrer correctement l'antenne, et en particulier de connaître le bruit de fond généré par celle-ci ainsi que par l'atmosphère terrestre. Ils découvrent ainsi accidentellement un bruit supplémentaire d'origine inconnue au cours d'observations faites sur la longueur d'onde 7,35 cm. Ce bruit, converti en température d'antenne, correspondait à une température du ciel de 2,7 K, ne présentait pas de variations saisonnières, et ses éventuelles fluctuations en fonction de la direction ne dépassaient pas 10 %. Il ne pouvait donc s'agir du signal émis par la Voie lactée qu'ils cherchaient à découvrir.

Penzias et Wilson ne connaissaient pas les travaux des cosmologistes de leur époque, et c'est presque par hasard qu'ils les découvrent. Penzias mentionne fortuitement sa découverte au radio-astronome Bernie Burke, qui lui dit savoir de Ken Turner que James Peebles a prédit l'existence d'un rayonnement de quelques kelvins, et qu'une équipe composée de Dicke, Roll et Wilkinson de l'université de Princeton est en train de construire une antenne pour le détecter. Penzias prend alors contact avec Dicke pour lui faire part de ses résultats. Ils décident alors de publier conjointement deux articles, l'un signé de Penzias et Wilson décrivant la découverte du fond diffus cosmologique, l'autre signé par Peebles et l'équipe de Dicke en décrivant les conséquences cosmologiques. L'histoire raconte que lorsque Dicke apprit la découverte de Penzias, il dit à ses collaborateurs une phrase restée célèbre : Well boys, we have been scooped (litt. « Les gars, nous nous sommes faits devancer » ). L'on ne sait pas bien si ces derniers auraient pu effectivement détecter ce rayonnement avec les moyens dont ils disposaient mais cela semble probable. Ils ont en tout cas détecté le fond diffus cosmologique à la longueur d'onde de 3 cm dans le courant de l'année 1965.

Penzias et Wilson recevront chacun 1/4 du prix Nobel de physique 1978 pour leur découverte.

Il a parfois été dit que les publications conjointes de Penzias et Wilson et de l'équipe de Dicke résultaient d'une tentative de ces derniers d'acquérir le bénéfice de la découverte et obtenir le Prix Nobel. Cela semble peu probable, Penzias et Wilson ayant déclaré par la suite qu'ils préféraient publier leur mesure à part, au motif « que leur mesure était exacte, alors que l'interprétation de Peebles n'était qu'une interprétation qui pourrait s'avérer fausse.» En fait, Wilson était même à l'époque partisan de la théorie de l'état stationnaire, il était donc, sans doute, réticent.

C'est à George Gamow que l'on attribue la prédiction du fond diffus cosmologique. Gamow a effectivement prédit l'existence d'un rayonnement issu du Big Bang, mais n'en avait pas prédit le spectre de corps noir. C'est A. G. Dorochkevitch et I. D. Novikov qui, en 1964, sont les premiers à prédire que le spectre du rayonnement doive être celui d'un corps noir et donc situé dans le domaine micro-onde. Ces auteurs vont même jusqu'à citer l'antenne des laboratoires Bell comme le meilleur outil pour détecter ce rayonnement. En 1961, E. A. Ohm avait rédigé un rapport interne décrivant les performances de cette antenne. Mais, se basant sur ce rapport, Dorochkevitch et Novikov concluront que ce rayonnement n'a pas été observé. Il s'agissait cependant d'une erreur d'interprétation de leur part : le rapport de Ohm mentionnait une quantité $T sky$ , mesurée à 2,3 K, représentant la contribution de l'atmosphère terrestre. Dorochkevitch et Novikov semblent avoir interprété cette quantité comme la somme de la contribution atmosphérique et du fond du ciel. Le température de 2,3 K correspondant à la contribution atmosphérique telle qu'elle était estimée à l'époque, ils ont alors conclu que la contribution du fond ciel devait être limité à une fraction de 2,3 K, en désaccord avec les prédictions de Gamow.

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