Faut-il croire au big bang?
  Le rayonnement fossile du cosmos






























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Plongez dans les "reliefs" du rayonnement primordial



Un voyage vers d'autres galaxies



Une promenade dans les collines et les vallées du fond diffus cosmologique

 

Il emplit le ciel comme un infime murmure radio. Découvert en 1965, le rayonnement fossile - ou fond diffus à trois degrés au-dessus du zéro absolu - représente 1% de la "neige" sur nos écrans de télévision. C’est le cri de naissance de l’Univers. Il remonte à 380 000 ans après le big bang. En 2008, le satellite européen Planck ira le scruter de près.

La première image de l’Univers
L’idée est très simple. Si l’Univers se trouve en expansion, il a dû passer par une phase dense et chaude dans sa prime jeunesse. La matière s’est alors assemblée de manière très serrée. L’histoire ultérieure se résumera à sa dilatation et à son lent refroidissement. Pourtant, dès 1948, le facétieux physicien d’origine russe George Gamow note une conséquence inéluctable de ce scénario du big bang. La naissance du cosmos se serait accompagnée de l’émission d’un intense rayonnement. Certes, aujourd’hui, ce brouhaha primordial se serait singulièrement atténué, essoufflé, affaibli. Mais, le "rayonnement fossile" du cosmos, "fond diffus du ciel" ou "premier cri de l’Univers" devrait encore persister.

La prévision reste, hélas, lettre morte. En 1965, deux jeunes radioastronomes du laboratoire de la Bell Telephone, Arno Penzias et Robert Wilson, ignorent ces travaux. Cependant, ils découvrent - par hasard - un fond diffus radio électrique qui envahit toute la voûte céleste. Le signal ne varie ni au fil du jour, ni au cours des saisons. Il est étranger au Soleil et à la Voie lactée. Penzias et Wilson viennent de démasquer le rayonnement fossile. Ils reçoivent le prix Nobel en 1978. C’est l’envolée. On s’aperçoit que le bruit radio suit à la perfection la loi du corps noir, calculée au début du siècle par l’Allemand Max Planck. Le cosmos aurait libéré l’essentiel de son énergie dans son premier âge.

Depuis, les équipes d’astrophysiciens se sont succédé afin d’approcher au plus près ce nouveau graal. "Fusées-sondes, avions espions, ballons et satellites ont été lancés dans le but de le scruter avec davantage de finesse", indique François Bouchet président du programme national de cosmologie et chercheur à l’Institut d’astrophysique de Paris. "Très vite, le rayonnement fossile procurera la ‘première image de l’Univers’. Il lèvera le voile sur une époque cruciale : 380 000 ans après le big bang, des grumeaux de matière sont déjà assemblés afin de constituer les embryons de nos galaxies. Et ils laissent leur empreinte sur le rayonnement. En outre, ces minuscules fluctuations donnent accès aux mystères de leur origine – peut-être une phase d’inflation - et aux ondes qui ont agité le cosmos primordial. Pas étonnant qu’elles soient au cœur de la mission d’exploration spatiale européenne Planck qui débutera en 2008", ajoute le scientifique co-responsable de ce programme en France avec Jean-Loup Puget de l’Institut d’astrophysique spatiale d’Orsay (Essonne).


Zoom : Le satellite cosmologique Planck

Découverte
En 1964, Penzias et Wilson entament leurs études avec une antenne de 6 mètres. Cet instrument a été conçu pour capter les signaux de l’un des premiers satellites de télécommunication, Écho. Il est installé sur la colline de Crawford, à Holmdel. À leur surprise, les scientifiques tombent sur un étrange bruit de fond radio qui vient de toutes les directions du ciel. Les mois suivants, l’expérience sera renouvelée. On la débarrassera d’une "substance diélectrique blanche" laissée par… un couple de pigeons au creux du détecteur.

Mais rien n’y fait. Le signal intrigant persiste. Selon les interprétations les plus poussées et audacieuses, il serait issu des profondeurs du cosmos. Il aurait été émis à une époque ancienne : lorsque, au sortir des forges brûlantes du big bang, la matière frémissante s’est condensée. Elle aurait alors formé de premières structures. Promesse de galaxies et d’amas à venir.

Il faudra toute la perspicacité d’une équipe d’astrophysiciens voisins, basés à l’université de Princeton, pour que l’explication éclate enfin au grand jour. En 1965, James Peebles, Peter Roll et David Wilkinson oeuvrent autour de Robert Dicke sur l’idée d’une enfance dense et chaude de l’Univers. Au final, l’annonce de la découverte dans Astrophysical Journal comportera un second article où les universitaires donnent l’interprétation du fond diffus.


Un murmure uniforme et primordial
Verdict : l’étonnant et subtil bruit radio enregistré à Holmdel correspondrait, en fait, au fameux rayonnement primitif prédit, deux décennies plus tôt, par George Gamow…

Première caractéristique relevée : le signal apparaît très homogène dans tout le ciel. Les spécialistes disent qu’il se comporte de manière "isotrope". Son intensité reste constante, quelle que soit la direction de visée. On peut en déduire qu’il puise sa source dans les régions les plus reculées. Il nous informe sur le passé lointain du cosmos. Ce brouhaha extraterrestre ne saurait avoir une quelconque origine proche ou locale (Système solaire, Voie lactée…).

Seconde propriété : le bruit de fond se comporte comme le rayonnement d’un "corps noir", notent les physiciens. L’intensité de la rumeur relique suit la distribution théorique établie en 1900 par Max Planck. Celle-ci décrit l’émission idéale d’une substance chaude et opaque à l’équilibre, quelle que soit sa composition. Or la courbe trouvée présente un maximum, un "pic", vers trois millimètres de longueur d’onde. Ceci traduit la température effective du rayonnement et l’énergie collectée par l’antenne. On trouve environ trois degrés au-dessus du zéro absolu : c’est-à-dire 3 kelvins, soit -271 °Celsius à nos thermomètres plus classiques. Une valeur universelle à retenir. Elle fera date.

Zoom : Max Planck

Peu à peu, les pièces du puzzle s’emboîtent. À force d’analyse et de déduction, les spécialistes parviennent à retracer ce qu’a pu être le parcours du brouhaha antique. Il serait né à l’époque où l’Univers se composait de noyaux d’hydrogène et d’électrons portés à 3 000 degrés. Dans cette matière "ionisée", la lumière ne se propage pas. Les grains de rayonnement, les photons, se heurtent aux particules. Ils sont sans cesse absorbés puis diffusés en tout sens. Le cosmos se comporte comme un épais brouillard. Une purée de pois incandescente. Puis, la température s’abaissera. Les électrons s’assembleront aux protons. On entre dans l’ère de la matière neutre : les charges électriques s’apparient et se compensent. Les atomes se créent. L’Univers devient transparent. Le rayonnement voyagera librement - pendant des milliards d’années - jusqu’à nos détecteurs.

La "lumière du big bang" aurait ainsi cheminé pendant 99,997% de l’histoire du cosmos. Cependant, l’expansion s’est poursuivie et les dimensions de l’espace se sont accrues d’un facteur 1 000. Dès lors, le rayonnement s’est affaibli et refroidi en conséquence. Sa température – sa vigueur – a été divisée par 1000. Elle a atteint les 3 degrés absolus constatés.

Aujourd’hui, malgré cette atténuation, le rayonnement fossile demeure la forme de radiation qui domine partout dans notre Univers. Il éclipse littéralement la lumière des étoiles et des galaxies. Environ quatre cents de ses photons remplissent chaque centimètre-cube d’espace.


Des fluctuations éloquentes
L’un des principaux attraits du rayonnement cosmologique tient à son extrême uniformité. Pourtant, paradoxe, ce n’est pas ce qui fascine le plus les spécialistes. Loin de là. On peut dire qu’ils se sont ingéniés à rechercher la faille : les petites incongruités dans un océan de tranquillité. >"L’effort a abouti en 1992 avec le satellite Cobe (Cosmic Background Explorer) et en 2003 avec son successeur Wmap (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)", relate François Bouchet. "Le jeu valait la chandelle. Car il a dévoilé les soubresauts de l’Univers enfant. À force de perspicacité, d’infimes variations ont commencé à transparaître dans le fond diffus. Elles offrent un aperçu imprenable sur les processus physiques du cosmos primitif. Les observer, c’est comme s’approcher d’un nouveau monde. On en aperçoit les continents et les océans, puis les reliefs, vallées ou montagnes…"

Le satellite cosmologique Cobe a été lancé en novembre 1989 et exploité jusqu’en 1993. En 1991, un premier instrument à bord a fourni un résultat fondamental. La température du rayonnement fossile a été déterminée avec une précision record : 2,725 ± 0,002 kelvin. C’est toujours la valeur qui prévaut de nos jours. L’incertitude résiduelle se confond avec l’épaisseur du trait dans la représentation graphique qui compare le fond diffus à un corps noir parfait.

Surtout, une seconde observation d’importance a été apportée en avril 1992 par la sonde Cobe : "c’est la cartographie préliminaire des fines fluctuations du rayonnement fossile", reprend le chercheur. Une composante correspond au fait que notre Groupe local de galaxies se déplace vers la constellation du Verseau. En conséquence, le rayonnement apparaît plus intense dans cette direction. L’effet est de l’ordre de 1/1000 ou 0,1%. "Mais les fluctuations primordiales, elles, sont beaucoup plus faibles", explique François Bouchet. "Et il a fallu l’instrument conçu par George Smoot, du laboratoire Lawrence de Berkeley (Californie), pour que l’on entrevoie leur signature au niveau de 30 millionièmes de degré, c’est-à-dire 0,001% en intensité. Pour les déceler, les émissions de premier plan de la Voie lactée ont dû être soustraites. Ensuite, le ciel est apparu comme tapissé de vagues, plus ou moins hautes, et plus moins chaudes. Chacune correspond à un îlot de plus forte densité. Un grumeau qui surnageait dans la soupe primordiale."


Télescopes, ballons, satellites : l’ère de la cosmologie physique
L’image transmise par Cobe porte sur des structures de 7 à 90° de dimension dans le ciel. Autrement dit, des objets qui mesureraient plus de 3 milliards d’années-lumière aujourd’hui. Ces tailles sont bien trop importantes pour correspondre directement à celles des germes qui ont engendré les galaxies, leurs amas et superamas, sous l’effet de la gravité. En revanche, le satellite de la Nasa a ouvert la voie à une longue lignée de successeurs. Dans les années suivantes, en effet, une bonne vingtaine d’expériences ont repris l’étude du fond diffus cosmologique. Ce sont, notamment, les télescopes au sol Degree Angular Scale Interferometer (Dasi) au pôle Sud, Arcminute Cosmology Bolometer Array Receiver (Acbar), Cosmic Background Imager (CBI) et Very Small Array (VSA) sur le pic du Teide à Tenerife. On a aussi embarqué des instruments en nacelles sous les ballons : Boomerang, Maxima (Millimeter Anisotropy Experiment Imaging Array) et Archeops. Ce dernier projet français, sous responsabilité du Centre national d’études spatiales (Cnes), du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et du Commissariat à l’énergie atomique (CEA), a effectué son vol le 7 février 2002 à partir de Kiruna, en Suède.

L’étape suivante dans l’ère de la cosmologie expérimentale est venue avec le satellite américain Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (Wmap). Ce digne héritier de Cobe, 30 fois plus précis, a été lancé le 30 juin 2001. Ses résultats sont parus le 11 février 2003. Ils consistent en une cartographie de la lumière émise juste après le big bang. Les fins détails dans les fluctuations correspondent à un quart de degré : 15 minutes d’arc ou la moitié du diamètre apparent de la Pleine Lune. Leur analyse s’avère compatible à 2 % près avec le scénario standard selon lequel l’Univers possèderait une géométrie plate à grande échelle. Cette configuration - très simple - correspond au cas classique étudié dès le IIIe siècle avant notre ère par le Grec Euclide. Elle se caractérise, en termes mathématiques, par le fait que la somme des angles d’un triangle y vaut 180 °. Corollaire, par un point donné, il passe une seule droite parallèle à une autre. Or ceci correspond à une conséquence attendue de l’inflation démesurée qu’aurait jadis connue le cosmos...

Par ailleurs, l’espace-temps semble de plus en plus ne vouloir contenir que 4 % d’atomes ordinaires. Le reste serait constitué – surprise ! - de 23% de matière noire et 73% d’énergie noire. Enfin, le rythme de l’expansion a été précisé. L’âge de l’Univers est estimé à 13,7 milliards d’années avec une marge d’erreur officielle de 1%. Et les premières générations d’étoiles seraient apparues 200 millions d’années à peine après le big bang.

"Ces conclusions revêtent une importance considérable", résume François Bouchet. ¼"Leur interprétation donnera du grain à moudre pendant des années. Raison de plus pour ne pas les prendre totalement comme argent comptant. La devise scientifique reste toujours de sans cesse remettre l’ouvrage sur le métier. Autrement dit, de vérifier plusieurs fois la validité des informations et de les acquérir avec des moyens indépendants. C’est ainsi que se construisent les édifices les plus fiables de la connaissance humaine."

Ici, les chercheurs européens ont pris un tournant. Ils se sont positionnés à un moment clef de l’exploration en s’engageant dans le programme Planck : un satellite cosmologique de troisième génération, conçu par l’Agence spatiale européenne. L’engin expédié dans l’espace en 2008, par la fusée Ariane 5, depuis Kourou (Guyane). En ligne de mire : "la détermination ultraprécise - avec une incertitude de 1% - de la dizaine de paramètres qui ont présidé à la fondation de l’Univers. Ces données contrôlent aussi son évolution ultérieure ainsi que celle des grandes structures. Le gain sur la taille des fluctuations sera tel que l’on pourra les mesurer avec une précision inégalée à l’échelle de 5 minutes d’arc. De quoi s’attaquer à la question de l’origine de ces variations. À quand remontent-elles? Quelles énergies? Résultent-elles de l’inflation ou bien faut-il y voir la signature de phénomènes plus exotiques, défauts de l’espace-temps ou cordes cosmiques?" Les chercheurs placent beaucoup d’espoir dans l’analyse des oscillations enfouies dans le fond diffus. Ils se sont armés d’un arsenal d’outils puissants afin de le décomposer - telle une musique primordiale - en harmoniques. Quarante ans après Penzias et Wilson, la nouvelle preuve, solide, du big bang est devenue un sujet d’étude. Qui fédère les esprits et les forces. Les Européens sont sous le charme de sa douce mélopée.



Pour en savoir plus :

Archeops améliore notre compréhension de la naissance de l'Univers
Communiqué de presse CNRS / CEA du 9 octobre 2002.