Fond diffus cosmologique

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Le fond diffus cosmologique est un rayonnement électromagnétique provenant de l'Univers, et qui frappe la Terre de façon quasi uniforme dans toutes les directions.

Il est considéré comme étant un reliquat de l'époque dense et chaude qu'a connue l'Univers il y a environ 13 milliards d'années, conformément aux prédictions des modèles de Big Bang (voir ci-dessous).

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

Ce faible rayonnement est aussi connu sous le nom de rayonnement fossile ou rayonnement à 3K (en référence à sa température). À noter qu'aucun de ces noms ne correspond exactement à sa traduction anglaise de Cosmic Microwave Background Radiation ou désormais Cosmic Microwave Background (litt. « (rayonnement) micro-onde de fond cosmique »).

Sommaire

1 Découverte
- 1.1 Sources (en anglais) de cette partie
2 Caractéristiques
3 Fond diffus cosmologique et Big Bang
- 3.1 Origine du FDC
- 3.2 Observation du FDC
4 Fluctuations du fond diffus cosmologique
5 Voir aussi

[modifier] 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 fait 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. En fait, 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 concluent 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 chiffre de 2,3 K correspondant effectivement bien à la contribution atmosphérique telle qu'elle était estimée à l'époque, Dorochkevitch et Novikov 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.

[modifier] Sources (en anglais) de cette partie

[modifier] Caractéristiques

[modifier] Spectre

Le fond diffus cosmologique apparaît comme un corps noir parfait dans la limite de la précision des instruments de mesure. Sa température a été mesurée fin 1989 par le satellite COBE à 2,728±0,002 K, l'incertitude venant de la difficulté de calibrer précisément un corps noir de référence embarqué sur le satellite. Le maximum d'énergie est rayonné à une fréquence proche de 160 GHz (longueur d'onde légèrement inférieure à 2 mm, domaine des micro-ondes).

[modifier] Dipôle

Du fait du déplacement de la Terre dans le Système solaire et plus généralement du déplacement de ce dernier par rapport à la surface d'émission du fond diffus cosmologique, la température du fond diffus cosmologique présente une variation en fonction de la direction, conséquence d'un simple effet Doppler. Si l'on enlève la contribution due au mouvement de la Terre autour du Soleil, alors l'amplitude du dipôle observé est de 3,358±0,001 mK, correspondant à une vitesse du Soleil de 369 km/s de celui-ci par rapport à la zone d'émission du rayonnement. La direction de ce dipôle est, en coordonnées galactiques, l=264,31°±0,20°, b=48,05°±0,11°, soit 11h 11min 57s±23s et -7,22°±0,08° en terme d'ascension droite et de déclinaison. Cette direction est quasiment opposée à celle de l'apex solaire, c'est-à-dire à l'opposé de la direction vers laquelle se déplace le Soleil au sein de la Voie lactée. En tenant compte du déplacement du Soleil au sein de la Voie lactée, on calcule le dipôle du fond diffus cosmologique par rapport à la Voie Lactée. Sa direction est peu modifiée, l=276°±3°, b=30°±2° mais son amplitude augmente significativement du fait de la vitesse du Soleil par rapport au centre galactique, pour atteindre 5,70 mK, correspondant à une vitesse de 627 km/s.

Cet ordre de grandeur de vitesse est typique de la dispersion de vitesse que l'on observe dans les amas de galaxies, ce qui renforce l'interprétation du dipôle comme étant dû à un effet cinématique local. Il reste cependant difficile d'en être certain car la zone du dipôle est très proche du plan galactique et de ce fait il est difficile d'y cartographier toutes les concentrations de masses qui expliqueraient pourquoi la Voie Lactée se dirige dans cette direction. Cette direction reste relativement proche (45°) du Grand Attracteur et également proche de plusieurs autres concentrations de matière proche du Groupe local (moins de 30 Mpc), en particulier les amas de l'Hydre et de la Machine Pneumatique.

[modifier] Écart au corps noir

Une question cruciale est de savoir (voir ci-dessous) si ce rayonnement est un rayonnement de corps noir ou pas. Dans l'univers primordial, les interactions entre matière baryonique et photons ont permis à ces derniers d'être thermalisés, c'est-à-dire à acquérir un spectre de corps noir. Cependant, à mesure que l'univers se dilate et se refroidit, les interactions entre matière et photons diminuent et l'équilibre thermique n'est plus assuré. Les photons peuvent donc conserver un spectre de corps noir, mais celui-ci peut être détruit en cas de phénomène qui produirait de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique (du fait de la désintégration de particules instables, par exemple). La présence ou non de distorsions au corps noir dans le fond diffus cosmologique permet donc de contraindre tous les phénomènes injectant de l'énergie sous forme de rayonnement.

Une injection d'énergie à une époque tardive (z ≤ 10⁵) se traduit par un dépeuplement des basses fréquences au profit des hautes fréquences (effet Compton y).
Une injection d'énergie à des époques plus anciennes (10⁵ ≤ z ≤ 10⁷) se traduit par une transformation d'un spectre de corps noir en spectre de Bose-Einstein), c'est-à-dire un potentiel chimique non nul pour les photons.
Des interactions entre le rayonnement et la matière chaude intergalactique à des époques beaucoup plus récentes (z ≤ 10³) peuvent également déformer le spectre (distortion free-free).

Aucune de ces distorsions n'a pour l'heure été détectée, avec des limites supérieures très contraignantes sur la plupart d'entre elles.

[modifier] Autres anisotropies

Améliorations successives des observations des anisotropies (ou fluctuations) du fond diffus cosmologique. De haut en bas : (i) découverte du fond diffus cosmologique en 1964, qui apparaît parfaitement uniforme (à d'éventuelles contributions d'avant-plan dus à la Voie Lactée près), (ii) carte des anisotropies dressée par le satellite artificiel COBE, (iii) cartes des anisotropies dressée par le satellite WMAP.

Les modèles cosmologiques sont basés sur l'idée que l'Univers était par le passé extrêmement homogène et que les structures que l'on observe peu à peu (galaxies, amas, superamas) se sont peu à peu formées par mécanisme d'instabilité gravitationnelle (ou instabilité de Jeans). Pour que ce mécanisme opère, il faut cependant qu'il y ait de petites fluctuations de densité dans l'univers primordial. On prédit donc que ces fluctuations de densité se retrouvent sous la forme de fluctuation de température dans le fond diffus cosmologique. Inversement, la détection et la compréhension fine de ces fluctuations nous renseigne sur l'état de l'Univers au moment où il a émis ce rayonnement, ainsi que sur divers processus s'étant déroulés avant et après cette époque. L'étude de ces fluctuations représente à l'heure actuelle (2006) le principal outil pour la cosmologie.

Les fluctuations du fond diffus cosmologique ont été détectées pour la première fois par le satellite de la NASA COBE en 1992. Un grand nombre d'expériences au sol, dans des ballons stratosphériques ont été effectuées depuis dans le but d'améliorer la qualité des observations. Les expériences les plus marquantes ont été BOOMERanG et Archeops. En 2001, la NASA a lancé un second satellite, WMAP qui a considérablement amélioré la qualité des observations, et distingué un point froid. En décembre 2008, l'Agence spatiale européenne lancera le satellite Planck Surveyor de Kourou par une Ariane 5 ECA, en vue d'améliorer encore les données grâce à ses instruments HFI (High Frequency Instrument) et LFI (Low Frequency Instrument).

[modifier] Fond diffus cosmologique et Big Bang

Article détaillé : big bang.

La théorie du Big Bang fournit une explication à l'origine des photons du FDC, ainsi qu'aux observations actuelles.

[modifier] Origine du FDC

Selon cette théorie, l'état d'énergie de l'univers primordial - de par sa densité et sa température - a provoqué la création de paires de particules/antiparticules. L'annihilation de celles-ci (à peu près 1 minute après le Big Bang) a créé un flot considérable de photons hautement énergétiques à chaque point de l'univers primordial, émis dans toutes les directions.

L'expansion de l'univers a ensuite considérablement allongé la longueur d'onde de ces photons, les amenant du domaine des rayons gammas hautement énergétiques vers le domaine des micro-ondes dans lequel ils sont observés aujourd'hui.

Bien que ces photons aient été créés dans la première minute de l'Univers, celui-ci n'est devenu transparent que 300 000 ans après le Big Bang. En effet, lorsque la température est plus élevée que la température d'ionisation de l'hydrogène (soit de l'ordre de la dizaine d'électron-volts), les photons sont continuellement en interaction avec la matière qui absorbe ou émet de la lumière. Tout comme dans un plasma, le libre parcours moyen des photons avant cette époque de découplage était très court et ces photons n'ont pas pu nous parvenir. Le fond observé aujourd'hui correspond donc à la "surface de dernière diffusion", au moment où l'Univers s'est suffisamment refroidi pour que la matière sorte de cet état de plasma et que le libre parcours moyen des photons devienne suffisamment grand (ce qui revient à dire que l'Univers devienne transparent), pour qu'ils puissent traverser les distances considérables nécessaires pour être observés de nos jours.

[modifier] Observation du FDC

La théorie du Big Bang explique pourquoi nous pouvons observer le FDC aujourd'hui, alors que la création du FDC est un événement temporellement ponctuel. Comment se fait-il que les photons du FDC atteignent la Terre précisément aujourd'hui afin que nous puissions les observer ?

L'explication est que la création des photons a eu lieu en tout point de l'Univers primordial et que celui-ci, bien que plus dense que l'Univers actuel, était également très étendu spatialement (la question de savoir si l'univers est ou n'est pas spatialement infini n'est pas encore résolue à l'heure actuelle). Dans ces conditions, il existe toujours, centré autour de notre planète (et bien sûr autour de toute planète), une sphère de rayon X années-lumière (X étant l'âge de l'Univers) où des photons FDC ont été créés il y a X années. C'est pourquoi le rayonnement FDC a toujours été, et sera toujours, observable.

Une image peut être utile pour comprendre cela. Imaginons-nous au centre d'une foule immense; et que cette foule entière pousse un grand cri, en même temps à un instant donné. Il sera alors toujours possible d'entendre ce cri : à chaque instant nous entendrions le son provenant d'un cercle de personnes, de plus en plus éloignées.

[modifier] Fluctuations du fond diffus cosmologique

[modifier] Voir aussi

[modifier] Articles Connexes

[modifier] Moyens observationnels

Cosmic Background Explorer - COBE (1992)
BOOMERanG (2001)
Archeops (2002)
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe - WMAP (2003)
Satellite Planck (lancement prévu à l'automne 2008)

[modifier] Liens externes

[modifier] Missions

[modifier] Résultats

(en) The Cosmic Microwave Background Spectrum, par George F. Smoot
(en) The CMB Dipole: The Most Recent Measurement And Some History, par Charles H. Lineweaver
(en) The Cosmic Microwave Background Anisotropy Experiments (pre BOOMERANG) par George F. Smoot

[modifier] Aspects cosmologiques

(en) La physique des anisotropies du fond micro-ondes

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